正激变换器其控制电路的设计仿真

1、正激变换器及其控制电路的设计及仿真设计要求1、输入电压：100V (± 20%)；2、输出电压：12V ；3、输出电流：1A ；4、电压纹波：v 70mV (峰峰值);5、效率：n> 78%;6、负载调整率：1% ；7、满载到半载，十分之一载到半载纹波v 200mV。第一章绪论1 .课题研究意义：对于大部分DC/DC变换器电路结构，其共同特点是输入和输出之间存在直接电连接，然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离，这时就可以在基本DC/DC变换电路中加入变压器，从而得到输入输出之间电隔离的 DC/DC变换器 而正激变化器就实现了这种功能。2 .课题研究内容：1、本文首先介绍

2、了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电 容、电感参数的计算方法，并进行了计算。2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。其中闭环方式又分为 PID控 制和fuzzy控制。本文分别针对开环、PID控制，fuzzy控制建立正激变换器的 Matlab仿真模型，并进行仿真分析了，最后对得出的结果进行比较。第二章：正激电路的参数计算本章首先给出正激变换器的等值电路图，然后列出了正激变换器的四个主要 参 数的计算方法，并进行了计算。1、正激变换器的等值电路图rmUiD2 二I Uo图1正激变换器等值电路图2、参数计算(1)变比n根据设计要求，取占空比D=0.4,根据输入电压和输出电压之间的关系

3、得到 变 比：D=1000,4 =3,312Uin n U out(2)最大、最小占空比U out Ud最大占空比Dmax定义为D m；U in min式中 LUn) = 100-20=80V, Uout = 12V, n=3.3, Ud 4整流二极管压降，所以 Dmax =0.495。最小占空比Dnm定义为U out UdDmin =U in max式中Un (max)=120V, 所以 DU =0.333 o(3)电容电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小则取开关频率f=200KHZT=5X 10-6s,根据公式：1 rripple3vripple式中取 ripple =0.2A,

4、Vripple=0.07mV,所以C=1.79 P F。为稳定纹波电压，放大电容至50 p F(4)电感可使用下列方程组计算电感值：Uout=LX 勺,dtdt= 驷式中 Uout=12V, di 取为 0.2A, DU =0.333,所以 L=0.334mH第三章正激变换器开环的Matlab仿真本章首先建立了正激变换器开环下的Matlab仿真模型，然后对其进行了仿真 分析。1、仿真模型的建立根据之前的等值电路图和参数的计算结果，可以对正激电路进行建模，其开环 模型如图2：=CHHK，!13sM邛皿图2正激电路的开环仿真模型2、仿真结果图3开环电压波形图4开环纹波电压911图5开环电流波形图6

5、开环纹波电流从图中可以看出，开环占空比为40%时输出电压不能达到12V,只能稳定在11.98V左右，纹波电压为1 mV输出电流是0.998A，纹波电流不到0.1 mA。虽然 纹 波电压符合要求，但输出电压值和电流值不符合要求，且电压有较大超调。分 析其 原因，可能是由于电路中的二极管压降以及变压器参数的影响。需要调大占空比才能稳定到12V。且开环系统有较弱的抗干扰性，不够稳定，因此应采用闭 环。第四章正激变换器闭环PID的Matlab仿真本章首先介绍了工程上对系统的闭环稳定条件的要求，然后对开环系统绘制了 伯德图，接着根据其开环幅频和相频特性曲线来确定所加PID环节的三个主要参数，进行闭环系统

6、的Matlab仿真，得到经过两次切载后的输出电压波形和输出电 流波形，并进行了分析。1、闭环稳定的条件：(1)开环Bode图的幅频特性曲线中增益为1的穿越频率应等于开关角频率的 1/5-1/10。(2 )幅频特性曲线应以-20dB的斜率穿越横轴。(3)相位裕量丫452、开环传递函数：查阅资料得到未补偿的开环传递函数为：Go(S)=Un代入数据，得到Go (S)=30.31.67 10 8s2 2.783 10 5 s 13、未补偿的开环传函的Bode图从图中可以看出，穿越频率为6.89 1。3出,小于要求的最小开关频率1200K =20000Hz且以-40dB穿越横轴，相位裕度仅为1 

7、6;。三项指标都不符10合。因此必须加入补偿环节。4、补偿函数的确定首先确定补偿后系统的剪切频率fci=- 200K =2.5 X 104 Hz,3ci=2n fci8=1.57X 105 rad/s在f=2.5 X 104 HZ处，原伯德图的增益为-22.6dB，相角为79。取相位裕度 为50°,贝U需补偿49°。新补偿的函数可分为PD和PI两部分G1=Kp( 1 +ts),作出其伯德图，得到以下比例关0ci tan 491,所以(1) PD环节设PD环节的传递函数为系：所以 T=7.33X 10-6又 20lgKp 1 _ci2 =22.6 ,Kp=8.848 0得到

8、G1 =8.848 (1+7.33X 10-6s)(2) PI环节取PI环节传函为G2=3。S(3)补偿传函G388485 2G3=GXG2=6 4856 10 s 8 .848sBP Kp=8.848, Ki=8848, K D=6.5ez5 。5、补偿后系统的新开环传函GnGn=GG3；96514 10268.0944s 268094.45 22.783 10 ss其伯德图如下:1.67 10 8s3t«G*jh«iet .4Jm-u ： J>Mig-liri* idD0IZ7T Fg图8补偿后系统伯德图从图中可以看出，此时系统的幅频特性曲线以-20dB穿越横轴，

9、且剪切频率为 2.49 X 104 HZ,相位裕度为49。，完全符合工程要求。6闭环PID控制的Matlab仿真模型用Mosfet 1和2控制切载过程。用Timer和Timer1控制切载情况，在 t=0.02s处负载由12Q切到24Q,在t=0.03s处负载由24Q切至U 120Q,在0.05s处 由120Q切到24Q。输出电压值与12V比较后进入PID,再与三角载波形比较， 在交点处控制Mosfet通断，从而控制占空比。c43e%.图9闭环PID控制电路图7、闭环PID仿真结果在Matlab上进行仿真，得到如下的电压波形:图10初始PID参数下的输出电压波形通过此图可以看出输出电压超调过大，

10、已超过额定输出电压的1倍。尽管输出电压值、纹波、切载的尖峰都符合要求。此时需要对PID参数进行调整。在这里选取 Kp=0.5, Ki=500、Kd =7.3e-5。此时可得到如下电压和电流波形：图13切载后第一个尖峰图14切载后第二个尖峰从图中可以看出，此时输出电压基本稳定在12V,且无超调。满载输出平均 电压约为11.9995V,满载时电压纹波最大，约为0.7mA切载时的电压尖峰也低 于 200mV半载输出平均电压为11.99935V，所以负载调整率为11.9995 11.9993511 9995X 100% =0.00125%v 1%。满载，半载，1/10载的电流纹波基本 相等，均不到11

11、 9995 11mA变压器原边电流为0.1521A,所以效率n二一型95 100% =78.9%。均100 0.1521符合要求。8、补偿后系统的伯德图Gn « I =n - KT £ OastaiH IYZMr i图17 PID补偿后系统的伯德图从图中可以看出,补偿后系统的剪切频率为2.12X 104Hz，约为开关频率的 0.106倍，并以-20dB穿越横轴，且相位裕度为88。，符合工程要求。第五章 正激变换器基于Fuzzy控制的Matlab仿真分析本章针对正激变换器进行了模糊控制。首先进行了模糊化的设计，然后建立了 规则库，最后针对其Matlab模型进行了仿真分析。1、

12、模糊化设计对误差e、误差变化率和控制量U的模糊集和域定义如下：dt de(1)模糊集合均为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB e 的域为-1 , +1,的 域dt为05 , +0.5)。U 的域为-1 , +1。de(2)隶属度函数均选三角函数5 inputl为e, input2为一，output为U。dt例如，变量位的隶属度函数如下图所示: dt图18输入虫的隶属度函数 dt2、模糊规则的建立(1)模糊规则表如下:*ECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPS

13、ZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNBFuzzy控制器规则库如下:E f 1MI1i rirami fcriFi.Fr巧 W her -«jbri 普玛 i ib*<f|NlB5 FF Brcri-tf|ftSinAraPA, ILft2，14H i 叫U r IfVLFI A dl fU gEZ iE.MJHWi rtPE： T'b §re'rru7a tw'aipLEI - 2|-pk H.nj#1 i5；frj电fVT|sJ!zd1 1|1 E” MX q Ir|Wir r 0. . .： 1

14、14 H IBdJ L luull <c H： . !.WBI： iil rl iHdl a MSjniimpdlaten 上机 Ml < FUj n| mrniwiMAEizg*irtwHuspi岗 H >UHJ，、4F> rl)iM.veafiMla口图19控制器规则库3、Matlab仿真分析(-5通过开环的输出电压范围,初步确定对于e. Gain仁65，对于四, Gain2=1(T。由采dt样定理，采样频率为开关频率的2倍，即400KHZ从而采样时间为2.5 X 1s。还要加入限幅模 块和零阶保持器模块，然后进行仿真。其仿真模型如下图： -二图20基于Fuzzy控制的Matlab仿真模型 仿真后得到的电压和电流波形如下：图21输出电压波形图图22切载前后纹波及切载尖峰电压波形图图23输出电流波形图24满载及半载电流纹波图25 1/10载电流纹波从图中可以看出，输出电压基本稳定在12V,在满载时纹波为350