1、具有隔離的DC-DC降壓變換器的仿真設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)要求輸入電壓：Uin=10020V ;輸出電壓：Uo=12V ;輸出電壓紋波： U<70mV輸出功率：Po=12W;效率：>78%;半載切滿載，滿載切半載，輸出電壓變化小于 200mV;10%負(fù)載切半載，半載切10%負(fù)載，輸出電壓變化小于 200mV; 負(fù)載調(diào)整率小于1%;變換器帶有隔離環(huán)節(jié)；2開環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)輸入輸出電壓值和要求帶有隔離環(huán)節(jié)， 本文采用正激變換器。為了便于 仿真，本文使用線性變壓器，省略原端磁復(fù)位結(jié)構(gòu)。設(shè)定變壓器匝數(shù)比為 4,由 UN D Uin，得開環(huán)占空比D=0.48。Ni讓電路工作在電流連續(xù)模式，由公式Ilc二U

2、Td（1-D） ：1A，求出電感最小2值31.2uH，取電感值為48uH;由公式厶U o = 口 DU。: 70mV，求出電容最 8LC小值為27.8uF,取電容值為60uF。觀察開環(huán)仿真輸出，紋波峰峰值約為 25mV，小于70mV，滿足要求。紋波 波形如圖所示：3閉環(huán)系統(tǒng)PID方案的參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真閉環(huán)系統(tǒng)框圖如下:其中，Gc(S )為控制器的傳遞函數(shù)，Gm(S)為幅值等于1的三角波比較器傳遞 函數(shù)，因?yàn)橹苯影演敵鲭妷悍答伝叵到y(tǒng)， 所以H(s)=1。由于開關(guān)電源是一個(gè)線性 與非線性相結(jié)合的綜合系統(tǒng)，研究起來比較困難，本文應(yīng)用狀態(tài)空間平均法來對(duì) 其中的buck電路拓?fù)溥M(jìn)行小信號(hào)分析，不考慮“ E

3、SR零點(diǎn)”，得出buck電路的 小信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化模型為：Gvd(s)12，由此可知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為1+sL/R+s2LCGd(s)二Uin N 二1一2。代入數(shù)據(jù)可以得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Vramp 1*sL/R*s LCGd(s)-此時(shí)，未校正的系統(tǒng)伯德圖如下所示:25Z92Z62.88 10 s24 10 s 1呂時(shí)Ian U FrwfnqYlHg-l /屮儀 Magnlvd# 附即:4 舸Bid g甲3 Ifil WR lit khf Htl. M Q 671 dip (al I Slit迫CM HiJ£泄MfK M泄KM a Friqj*- Fr«quBi±

4、;v |H±| ftina i- Rii« -Tri從圖知開環(huán)系統(tǒng)的相角裕度為0.871度，為使系統(tǒng)有良好的相對(duì)穩(wěn)定性，選 取剪切頻率為開關(guān)頻率的1/5，即20kHz。從圖讀出20kHz時(shí)增益為-5dB，選相 角裕度為50度，則20kHz處需要校正的相角為+49.129度。K已知PID控制器的傳遞函數(shù)為 Gc(s) =Kp( sKd),設(shè)PD環(huán)節(jié)傳遞函s數(shù)Gpd=Kp (1 + T),由相頻特性和幅頻特性得出：arctan 上 = 49.129( 1)匚2220lgKp ,1c =5dB(2)解方程(1)和(2)得.=9.2 10s，KP =1.16，則 Gpd =1.16

5、(V 9.2 10»s)。 設(shè)PI環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)Gpi二乞衛(wèi)00 (讓積分常數(shù)的倒數(shù)位于低頻段)，則 sGc(s)=Gpd Gpi =1.16(1 1000 9.2 10s)。為了使系統(tǒng)的超調(diào)減小，波形更理 s想，在仿真時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，最終確定的PID參數(shù)為：Kp=1.16，Ki=1000,Kd=3.8 10 占。Gc(s )的伯德圖如下：甬克魯3:1-1£；:;:;SjrtWm： GFrtqLMrEY il-tr； Z EI2a-4M4 PhIM i.defll!.1 Y ; ! ; 1將控制器傳遞函數(shù)與原來的開環(huán)傳遞函數(shù)相乘，得到校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:G(s)

6、=Gc(s)Gd(s)=2.6675 10"s229.25s 290002.88 10s3 4 10s2 s對(duì)應(yīng)的校正后伯德圖如下:CkrKl ( Pm-想訂ata i«c 1Ha Ji住If對(duì)電路拓?fù)溆肕ATLAB進(jìn)行搭建，閉環(huán)仿真電路圖如下:yrrwntV&li e>g«匚叫si財(cái)-J»7.F面進(jìn)行波形分析與指標(biāo)測(cè)試：(1) 不加干擾時(shí)輸出電壓波形:輸入電流波形:&l-r-.JIMd有以上兩幅波形可以算得：超調(diào)(=1.15%，紋波峰峰值為23mV，調(diào)整時(shí)12V x 1A間ts=1.26ms ( 20.05),額定效率口 =83.

7、33%，均滿足要求。100VX1.44A(2) 滿載半載相互轉(zhuǎn)換在0.004s時(shí)將負(fù)載由滿載切換至半載，電壓波動(dòng)約為 72mV, 0.008s時(shí)將負(fù) 載由半載切回至滿載，電壓波動(dòng)約為 75mV。兩次切載電壓波動(dòng)均小于 200mV， 滿足要求。波形如下：(3) 輕載(10%負(fù)載)與半載轉(zhuǎn)換在0.004s時(shí)將負(fù)載由半載切換至輕載，電壓波動(dòng)約為 84mV，0.008s時(shí)將負(fù) 載由輕載切回至半載，電壓波動(dòng)約為 60mV。兩次切載電壓波動(dòng)均小于 200mV， 滿足要求。波形如下：(4) 電源擾動(dòng)分析在0.004s加擾+20V電源擾動(dòng)，輸出電壓波形如圖所示:由圖算得電壓波動(dòng)為110mV。當(dāng)0.004s時(shí)加

8、入-20V的電源擾動(dòng)，輸出電壓波形如圖：由圖可知電壓波動(dòng)為-132mV。所以在電源輸入U(xiǎn)in=100土20V情況下，輸出 完全滿足要求。(5) 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試滿載切半載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率為11.998-12.00211.998100% =0.033% ；滿載切輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率為12.000S2.00°T2.002 100% "017% 7所以兩種情況的負(fù)載調(diào)整率均小于 1%，滿足要求最后看一下系統(tǒng)先后經(jīng)歷滿載切半載，半載切滿載，和電源+20V擾動(dòng)時(shí)的輸出波形：4閉環(huán)系統(tǒng)FUZZY控制仿真在PID仿真電路基礎(chǔ)上搭建FUZZY控制的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖所示:DiodeDi»K

9、r-At:ii. L<-OI6rSSoap*1WO Ca-3 s Meanjrtrrierrt.neB TrHnsformef由于輸入量只有E和EC，系統(tǒng)對(duì)靜差的消除作用較小，以至于在滿載切換 到輕載時(shí)波形波動(dòng)嚴(yán)重，并且加入電源擾動(dòng)時(shí)波形也會(huì)發(fā)生畸變。針對(duì)以上問題，采用PID與FUZZY控制相結(jié)合的方法，加入比例積分控制 模塊，以使系統(tǒng)的靜差最小。仿真時(shí)調(diào)節(jié)差分增益K和比例環(huán)節(jié)的增益參數(shù)Gain, 同時(shí)給予適當(dāng)?shù)姆e分增益 Kp,使波形達(dá)到理想，改進(jìn)后的電路圖如下：然后，建立FUZZY文件，兩個(gè)輸入量分別為 E和EC,變化范圍均為-1到 1，一個(gè)輸出量outputl，輸出范圍為0到1，每個(gè)

10、變量的隸屬度函數(shù)選用5個(gè)。 其中對(duì)E和EC的參數(shù)設(shè)定如圖所示：Current YiariabieTypeInpURang erDisplay Ren&eR&8dyFIE VariablesMenfeershlp 歯cfcn pkxla181斷jhjI：奶厲冼FEC函數(shù)的規(guī)則庫為模糊控制的核心，如圖所示:de/dteNBNSZPSPBNBNBNBNSNSNCNSNBNSNSNCPSZNSNSNCPSPSPSNSNCPSPSPBPBINCPSPSPBPB對(duì)MATLAB中FUZZY的規(guī)則庫進(jìn)行設(shè)定，如圖所示:.If侄嘻 畑）卸© （比 區(qū) 呻也加（如tpmi豐NB） （口2

11、. IfCEisNSJand (EC is NS) then (output! isHB) (1) a If fE is NB) and (EC a Z) then (outputl is NS) (1)4. If (Eis MB)and 讓匚isPS) then (outputlg NS)5. If Eis NB)and (ECisPB) then (outputlts Z) (1)6. If (Eis MS)and (ECisNB) then (mitputlis NB (1)7. If (.Eis NS)and (ECisNS) then (outputlis NS)& ff(E

12、 Is NS) and (EC Is Z) than (outputl Is NS) (1)9. If (E s NS and (EC is PS) then (output! s Z) (1)10. If (E is NS)and(ECsP8>tiien(outputl UPS)(1)11. If (E is Z) and (EC is NB)then (outputl sNS)(1)12. if (E is Z) and (EC n NS) then outputl is RS) (1)13. If (E isZ) and (EC ii&Z) then outputl is

13、石1+. if (E is Z) and (EC » PS)then (outputl is PS) (1)15. If (E is Z) and (EC i& PB) then (outputl is PS) (1)16. If (E is PS)and(EC is NB) then(output!is NS) (1)17. If (E is PSand(EC b NS) then(outputlis Z. (1)13. lf(E is PS) and (EC is Z) then (outputl is PS) (1 >19. ff (E is PS)and(EC

14、is PS) then(outputlk PS)(1)20. If (E is PSand(EC is PB) then(outputl呂 PB)(1)21. If (E is PB;and(EC is NB)then(outputlis 2)(122. If (E is PB)and(EC is NS) then(outputlis PS)23. If (E is PB) and (EC is Z) then (outputl is PS)24 lf(E isP6)and(EC is PS) then(outputlis PS) ft)2S. If (E is PB)and(EC is PB

15、) then(outputlts P0) (1)測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)過與參考電壓比較后得到一個(gè)差值信號(hào)E, E經(jīng)過差分和比例放大后送入FUZZY模塊中，經(jīng)過模糊化、模糊推理、反模糊化后給出控制 信號(hào)，然后和三角波比較后形成 PWM門極脈沖，控制MOSFET的通斷，進(jìn)而控 制輸出電壓大小。F面進(jìn)行波形分析與指標(biāo)測(cè)試:（1）基本參數(shù)測(cè)試：由圖可知輸出電壓波形超調(diào)為21.2%，輸出電壓紋波約為35mV，調(diào)整時(shí)間 為 0.73ms。（2）切載測(cè)試：在0.01s時(shí)從滿載切到半載，0.015s時(shí)從半載切回滿載，輸出電壓波形如下：由圖知兩次切載電壓波動(dòng)均約為 35mV，小于200mV，滿足要求在0.004s時(shí)從

16、半載切換到輕載（10%負(fù)載），0.018s時(shí)從輕載切回到半載, 輸出電壓波形如下：由圖可知第一次切載電壓波動(dòng)為 70mV，第二次切載電壓波動(dòng)為35mV，兩 次均小于200mV，滿足要求。（3）輸入擾動(dòng)測(cè)試：在0.01s時(shí)，輸入加入+20V擾動(dòng)，輸出電壓波形如下：由圖知電壓波動(dòng)為43mV，小于200mV，符合要求。在0.01s時(shí)，輸入加入-20V擾動(dòng)，輸出電壓波形如下:由圖知電壓波動(dòng)為25mV，小于200mV，符合要求。(4) 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試:滿載切半載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率為 sJ2.01012.007 100% =0.025% ； 12.01012 01011 9881滿載切輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率為 S

17、 =-一-一如00% =0.18% ；12.010所以兩次切載的負(fù)載調(diào)整率均小于1%,滿足要求。最后看一下系統(tǒng)先后經(jīng)歷 0.006s時(shí)滿載切半載，0.01s時(shí)半載切滿載，和0.015s時(shí)電源輸入+20V擾動(dòng)時(shí)的電壓輸出波形：5.遇到的問題和心得體會(huì)：PID控制主要難點(diǎn)是PID參數(shù)的計(jì)算，方法不一，但最終目的都是為了校正 開環(huán)伯德圖，本文先后采用了三種方法，考慮到幅頻和相頻特性，低頻段特性， 以及剪切頻率處的穿越特性，最后選取了一組仿真效果最好的參數(shù)。FUZZY控制的核心是建立合適的規(guī)則庫，本文選擇的隸屬度函數(shù)為5個(gè)，在輸出靜差較大 同時(shí)切載畸變的情況下，加入了比例積分模塊彌補(bǔ)了FUZZY的不足，使輸出結(jié)果十分理想。由于本次作業(yè)為仿真驗(yàn)證，對(duì)很多模塊采用了理想化處理，如忽略了電容的 ESR，對(duì)變壓器采用了線性化處理，避免了磁飽和，由此也忽略了磁復(fù)位電路對(duì) 整個(gè)傳遞函數(shù)的影響，在調(diào)節(jié) PID參數(shù)時(shí)，假定的微分環(huán)節(jié)為理想微分，而實(shí) 際并不存在理想的微分環(huán)節(jié)。同時(shí)，由于過于理想