（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的数字控制移相全桥变换器.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep h a s e s h i f t e db r i d g eh a sf o u n dm a n ya p p l i c m i o n sd u et o i t sd i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c st h i st o p o l o g yp e r m i t sa l ls w i s h i n gd e v i c e st oo p e r a t eu n d e rz e f d v o l t a g es w i t c h i n g b yu s i n g c i r c u i tp a r a s i t i cs u c ha sl e a k a g ei n d u c t a n c ea n dp o w e rf e t j u n c t i o nc a p a c i t a n c et oa c h i e v e r e s o n a n ts w i t c h i n g t h ez v sa l l o w so p e r a t i o nw i t hm u c hr e d u c e ds w i t c h i n gl o s s e sa n ds t r e s s e s ， a n de l i m i n a t e st h en e e df o rp r i m a r ys n u b b e r i te n a b l e sh i g hs w i m h i n gf r e q u e n c yo p e r a t i o nf o r i m p r o v e dp o w e rd e n s i t y w i t hg o o dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t oi m p l e m e n tz v sf bz v sd c d c c o n v e r t e r t h ec o n v e n t i o n a la n a l o g yc o n t r o l l e ru c 3 8 9 5g e n e r a l l yi su s e d h o w e v e r , t h ee m e r g e n c e o fa d v a n c e dm i c r o p r o c e s s o r sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sh a sm a d ei tp o s s i b l ef o rp o w e rs u p p l y m a n u f a c t u r e r st oc o n s i d e r d i g i t a lt e c h n o l o g ya sas u i t a b l eo p t i o n a sc o m p a r e d t oa n a l o g yc o n t r o l ， d i g i t a l c o n t r o l p r o v i d e s an u m b e ro f a d v a n t a g e s ，s u c h a sl e s s s u s c e p t i b i l i t y t o a g i n g a n d e n v i r o n m e n t a lv a r i a t i o n b e t t e rn o i s ei m m u n i t y , a b i l i t yt 0h a n d l ec o m p l e xc o n t r o ls c h e m e sa n d m o n i t o r i n gf u n c t i o n s ，p o s s i b i l i t y t o i m p l e m e n tc o n u n u n i c a t i o n f u n c t i o n sf o rf a u l ta n ds t a t u s i n f o r m a t i o n ，a n de a s yr e p r o g r a m m i n gf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n w i t ht h e d o w n w a r dt r e n do f m i c r o p r o c e s s o rp r i c ea n dt h ei n c r e a s eo ft h ec o m p u t a t i o np o w e r , d i g i t a lc o n t r o lc a np o t e n t i a l l y b e c o m eac o s t - e f f e c t i v ea n da l t e r n a t i v es o l u t i o nt oa n a l o gc o n t r o li nt h es w i t c h m o d ep o w e rs u p p l y i n d u s t r y , s ob yt h eu s eo ft h ed s p c o n t r o l l e re x e c u t i n gac o n t r o ls t r a t e g yi nd i g i t a ld o m a i n ，t h e p h a s e s h i f t e db r i d g ec o n v e r t e rc a nb ec o n t r o l l e dv e r yw e l l d i g i t a lc o n t r o li n c l u d e sm a n y c o n t r o l s t r a t e g y , s u c ha s p i dc o n t r 0 1 p o l e p l a c e m e n ta n da d a p t i v ed i g i t a lc o n t r o l ，a n ds oo n t h e s e c o n t r o l s t r a t e g y h a v e m a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，b u tt h e y i sn o t v e r y s u i tt o d i g i t a l c o n t r o lo f p h a s e s h i f l e db r i d g e ， i nt h i sp a p e r , t h ef i r s tp a r td i s c u s s e st w ob u i l d i n gs m a l l s i g n a lm o d e lo fp h a s es h i f t e db r i d g e ； q u a s i - - l i n e a rm o d e l o f p h a s e s h i f t e db r i d g ec a n d e s c r i b ev e r yw e l li t so p e r a t i o ni nt h ec a s eo f l a r g e p e r t u r b a t i o nb a s e do nt h i sm o d e l ，u s i n gp r e d i c t i o nt e c h n o l o g ya n dp o l e p l a c e m e n ta n da d a p t i v e d i g i t a lc o n t r o l ，p o l e p l a c e m e n t a n d a d a p t i v ed i g i t a l c o n t r o l u s i n gp r e d i c t i o nt e c h n i q u e i s p r o p o s e d t h es i m u l a t i o n sf o rp o l e p l a c e m e n ta n da d a p t i v ec o n t r o lo fz v sf u l l b r i d g ed c d c c o n v e r t e ru s i n gp r e d i c t i o nt e c h n i q u ew i t he n v i r o n m e n t a lc h a n g e sh a v eb e e nf i n i s h e db ym a t l a bi n o r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a t a p p l y i n gt h ep r o p o s e da p p r o a c ht oc o n t r o lt h ec o n v e r t e ra b o v ei s n o to n l ya b l et o i m p r o v ei t s t d y n a m i c a lr e s p o n s e sa n ds t a b i l i t i e sg r e a t l yf o ra l l “v a r y i n g ”o p e r a t i n gp o i n t s ，b u ta l s oc a l lr e a l i z e c h a n g ep a r a m e t e ro n l i n es ot h a te n s u r e s t a b i l i t yo fc o n v e r t e r i nt h ec a s eo f l a r g ep e r t u r b a t i o n i no r d e rt or e a l i z et h i s d i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g y , u s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s e r i a ld i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) o f t ia sc o n t r o l l e r t h i sc o n t r o l l e rs a m p l e o u t p u tv o l t a g e ，i n p u tv o l m g e a n d o u t p u t c u r r e n to fp h a s es h i f t e db r i d g ea tf i r s t ，t h e nc a l c u l a t ea n dp r o d u c tp h a s es h i f tp w m s i g n a la tr e a l t i m e ，i nt h ee n dd r i v em o s f e to fp h a s es h i f tb r i d g eb yd r i v ec i r c u i tt oa c h i e v ec o n t r o lp h a s e s h i f t e db r i d g e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t a p p l y i n gt h ep r o p o s e da p p r o a c ht oc o n t r o lt h e c o n v e r t e ra b o v ei sn o to n l yf e a s i b l e ，a n dp r o p o s e dc o n t r o l l e rc a nr e a l i z et h i sc o n t r o l s t r a t e g yv e r y w e l 】 k e y w o r d s ：p h a s es h i f t e db r i d g e ；z v s ；q u a s i l i n e a rm o d e l ；p r e d i c t i o n t e c h n i q u e p o l e p l a c e m e n ta n da d a p t i v ec o n t r o l i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 悫建罕日期：奶年月形目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 隽瑚 物 日期：仍年j 月彩日 日期：硐年厂月名日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究数字控制移相全桥z v sd c d c 变换器的意义 功率电子学是研究在定信息控制下，将功率从一种形式高效地转 化成另一种形式的科学。它是一门建立在电力学，电子学和控制学基础 上的边缘交叉学科，主要包括功率电子器件，功率变换装置和自动控制 三大技术。功率变换以器件为核心，应用自动控制理论，微机控制技术 实现功率电路中电压，电流，波形，频率，相位的变换。功率电子学技 术已经广泛应用于各类产业，为其提供高性能，高效率的电源设备和电 控设备。 高频电力电子技术是电力电子学的一个重要发展方向，是使电力电 子变换器更好地实现基本要求诸多方面的重要技术途径。开关器件和元 件的高频化是高频电力电子学的基础，功率场效应晶体管( m o s f e t ) ， 绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 和场控晶闸管已成为现代高频电力电子学 的主要开关器件。电力电子变换器电路拓扑的发展是高频电力电子的另 一个方向，但随着高频化的发展，脉宽调制型功率开关管开关损耗随开 关频率成正比增加，传统的全桥变换器就存在这个问题。而利用谐振技 术部分或全部实现变换器中功率器件的零电压开关( z v s ) 的移相全桥 变换器，就克服了脉宽调制型功率开关管硬开关时开关损耗随开关频率 成正比增加的缺点，从而可能进一步提高变换器的功率密度和开关频率， 达到提高转换效率和减小电源体积的目的。这使得移相全桥z v s 变换器 得到广泛应用。 移相全桥z v s 变换器是一个脉动的非线性动态系统。移相全桥 p w m z v s d c d c 变换器传统的控制方法是通过采用u c 3 8 9 5 芯片来调节 其两桥臂间导通的相位差，以实现其p w m 模拟控制。但是近年来随着 微处理器技术的发展，各种微控制器和数字信号处理器性能价格比的不 断提高，采用数字控制已经成为大中功率开关电源的发展趋势。相对于 用u c 3 8 9 5 的模拟控制，采用数字控制有许多的优点： ( 1 ) 数字控制具有很强的抗干扰能力。模拟控制器的稳定性依赖 于所选定元件的稳定性。但是模拟元件的参数容易受环境和温度的影响， 所以模拟控制易受外界干扰，稳定性较差。数字控制用数字来表示控制 景，具有较好的稳定性和可靠性。 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 2 )数字控制中由于作为控制器的微处理器有较强的运算能力， 可以实现各种复杂的控制策略，并且还能实现通讯功能和和各种监控功 能。 ( 3 )数字控制系统还具有很好的控制灵活性。数字控制是用软件 来实现各种控制策略的，因此在设计过程中如果要改变控制策略或控制 参数只需要改变控制程序即可，而不象模拟控制器那样需要改变整个控 制硬件系统。 数字控制的这些优点大大提高了变换器的整体性能，使得变换器成 为具有高精度，高可靠，高效率和高功率密度的设备。使得数字控制已 经成为大中功率开关电源的发展趋势。 1 2 移相全桥z v s p w md c d c 变换器的工作原理w r s 移相全桥z v s p w m d c d c 变换器利用变压器漏感或原边串联电感 和功率开关管的寄生电容谐振来实现零电压开关，它的电路结构和主要 工作波形如图1 一i 所示： 0 ，流过d 5 的电流大于流过d 6 的电流。在t 4 时刻， ，。一0 ，两个整流二极管中流过的电流相等，均为负载电流的一半。在 【t 4 t 5 】期间，f 。 o ，流过d 5 的电流小于流过d 6 的电流。在t 5 时刻， ，= 一，k ，d 6 中流过全部的负载电流，d 5 的电流为0 ，从而d 5 关断， 广u j 第一章绪论 d 6 承担全部的负载电流，从而完成两个整流二极管的换流过程。 1 2 3 移相p w m 控制的基本原理t 移相p w m 控制不同于传统的p w m ，其所有的开关管都以5 0 固定 占空比工作，p w m 是通过在移相全桥变换器两臂对应开通的开关管驱动 信号中引入相位差来实现的，它不同于以驱动信号占空比直接变化实现 p w m 的传统调节方式。如图l 一3 所示： 在0 期间，也就是s l 和s 4 ( 或者s 2 和s 3 ) 同时导通时，变压器原 边电压为0 ，变换器处于自然续流状态，不向变压器副边传递能量。只 有当s l 和s 2 ( 或者s 3 和s 4 ) 同时导通时，变压器原边才有电压，为 输入电压值，这是输入功率才从输入端通过变压器传到负载上。调节相 位差0 就能实现类似于传统p w m 控制实现移相全桥z v s 变换器占空比的 调节。 s 1 s 3 s 2 5 4 t t 厂一广 _ 1 厂一 广一 图1 3 移相p w m 控制的原理图 f i g 1 3p w m c o n t r o lb a s e do np h a s es h i f t l 3 移相全桥z v sd c d c 变换器数字控制方法的综述c ， p w m 型d c d c 变换器控制的最终目的就是保证稳态输出电压误差 为零以及对电路参数变化具有较强的鲁棒性，并具有良好的动态响应。 而移相全桥z v s p w m d c ，d c 变换器是一个一个脉动的非线性动态系 统，它的动态特性的解析分析很复杂。传统的模拟控制系统是在 m l d d l e b r o o k 和c u k 提出的状态空间平均法小信号模型的基础上，利用 频域分析法来设计的。这种设计方法虽然简单，但它一般很难保证系统 的大信号稳定性。随着控制理论新成果的不断出现，一些数字控制策略 在移相全桥z v sd c d c 变换器控制部分的设计中得到应用，如采用数 字p i d 的平均电流模式控制，前馈控制，漠糊控制，极点配置自适应控 华南理王大学工学硕士学位论文 制，预测控制，无差拍控制等。 1 3 i 运用数字p i 控制 p i d 控制方法是一种非常成熟，应用最广泛也较简单的控制方法。 采用平均电流模式数字p i d 控制楚控制移稻全轿交换器的一种常用的方 法。 在p i d 控制中醵倒环节可黻减少系统静稳态误差，提高控翻耩度； 积分环节有利于撬高系统的无差糜，驭丽使系统静稳定健提高。丽采瘸 电流模式控制变换器静电感电流，使其镌在一个开关蠲期内薅控翎输入 镟岛褊应，函裕能有效翡掷制有滤波电感产生豹控铺镝应的褶铙滞后。 p i d 控南l 设计篱攀，参数螯定容易，结梭灵活，适痘性强。键p i d 控制 懿袋点是不链解决出于对阀延迟露弓 起熬带宽缓小爨翘憝，缀难提裹系 统鑫冬控镶特性。 l 。3 2 靛馈控制 穆羧入电压控豢4 直接加到控制系缓来控到d c d c 变换器占空比的 方法为游馈控劁。翦馈按制是按照输入扰动传躅进行调节的。当于执如 现时，兹馈控制器就对调节参数进譬亍调节以补偿扰动对被调参数的影响， 两调解参数并不等到被调参数媳现馒差以后才进行调节，因此可以在输 入扰动量对控制系统产生影响之前就有效的控制住扰动对系统的影响。 t 3 3 极点配置自适应控制c 。 极点配置自适应控制是将极点配置法和自适应控制结合的一种新的 控制方法。极点配置法是根据系统的离散状态空间表达式来设计控制系 统的。由于控制系统的动态响应和稳定性由系统的极点决定，因此往往 需要改变原系统的固有极点，使改变后的控制系统极点配置到能达到的 所需要动态响应的极点上。假设控制系统的状态空间表达式为： 严r 卜( k 之c x x ( k d m ；， f) = 1 、吖 在这里令x ( k + 1 ) = - l x ( k ) ，代入上式得出控制系统的特征方程为： 第一章绪论 d e t z ，一a + f b 】= 0( 1 2 ) 在设计控制系统时，只要选择合适的反馈系数z ，就可以把控制系 统的极点配置所需的极点上。极点配置法的特点是设计简单，实现容易， 具有很好的动态特性。自适应控制则是按照“不确定性等价原理”，控制 器首先按理想情况即连续时不变系统设计，但是控制器参数在线可调， 这种调节通过不断更新控制模型的参数来完成调节控制参数，这种自适 应控制能同时保障控制系统的稳定性和精确性的要求。但这种控制应用 在高频开关电源时，很难实现实时控制。若将极点配置和自适应相结合， 则将克服两种方法的缺点，发挥两种方法的优点，形成一种性能优越的 控制方法。 1 3 4 预测控制o 在数字控制中，一个主要缺点是控制环频带宽度受零阶保持器，a d 转换，p w m 的产生和计算导致的时延限制，从而影响到系统的动态响应 性。为了解决时延问题，提高整个控制系统的动态响应，一般数字控制 系统都采用预测控制技术。其控制系统的结构如图l 一5 所示： 图1 4 预测控制系统的结构图 f i g i _ 4t h ed i s c r e t ec o n t r o ll o o ps y s t e mi n t e g r a t i n gt h ep r e d i c t o r 预测控制技术的基本思想是为了补偿在一个周期计算的控制量由于 时延而只能在下一个周期才起作用从而滞后了系统的动态响应这一缺 点，可以根据系统第k 个周期的输出预测第k + 1 个周期输出，从而在第 k 个周期就计算出第k + 1 个周期的控制量，从而补偿了由于各种原因产 生的时延，提高系统的动态响应。 1 4 主要的研究背景及意义 为了使应用数字控制的移相全桥z v s 变换器有较好的控制效果，应 采用实时控制，这就要求数字控制的算法在一个开关周期内完成。因此 华南理工大学工学硕士学位论文 在分析前面各种控制策略优缺点和要求实时控制的基础上，选用一种新 型的控制策略，即带前馈环节的极点配置自适应预测控制来实现移相全 桥z v s 变换器的数字控制。它是在建立准线性模型的基础上的一种简单 实用的数字控制方法，既相对于模拟控制有显著的优点，又克服了以往 移相全桥z v s 变换器数字控制的缺点，如控制环频带宽度受零阶保持 器，a d 转换，p w m 的产生和计算导致的时延限制，控制系统的控制精 度和动态响应不好，不能实时控制等。在此控制策略的基础上，采用t i 公司的t m s l f 2 4 0 7 系列高速d s p 来设计数字控制模块，将很容易实现 上述控制策略。 1 5 本文内容安排 本文从研究数字控制的基本理论入手，在基于理论研究构建的模型 上，着重研究了极点配置自适应预测控制的工作原理及其应用，并应用 仿真软件进行仿真，最后应用实验验证了所提出的理论的正确性。文章 的具体安排如下： 第二章阐述了移相全桥z v s 变换器的小信号模型的建立过程，在此 基础上着重阐述了建立移相全桥z v s 变换器的准线性模型的原理及这 种模型的优点。 第三章基于移相全桥z v s 变换器的准线性模型，提出了极点配置自 适应预测控制方法。 并应用m a t l a b 软件对这种控制方法进行仿真。 第四章介绍了作为控制器的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 系列d s p 的结构和功能 并且阐述了d s p 各寄存器的初始化及指令和算法。 第五章从极点配置自适应预测控制方法出发，结合用于作数字控制 器的t i 公司的t m s l f 2 4 0 7 系列高速d s p 的功能和特点，提出了一种新 型的移相p w m 控制电路，并介绍了d s p 的外围接1 2 1 电路的设计，包括驱 动电路设计、反馈电路设计。 第六章详细介绍了移相全桥z v s 变换器主电路的设计，包括电路的 拓扑结构，各种磁性元件( 主变压器和电感) 的设计，软开关电路设计等，并 给出主电路的仿真结果 第七章详细介绍了移相全桥z v s 变换器极点配置自适应预测控制 的凋试过程及实验结果。然后分析了电路性能测试结果 最后本文对所取得的成绩进行了总结，并对移相全桥z v s 变换器极 点配置自适应预测控制存在的一些问题进行了分析，并期待着能更深入 第一章绪论 地探讨所存在的问题。 1 6 本章小结 本章首先介绍研究数字控制移相全桥z v sd c d c 变换器的意义，然后 介绍了移相全桥z v sd c d c 变换器地工作原理，最后简单概括了移相全 桥z v sd c d c 变换器所采用的一些数字控制策略及整个论文的安排。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章移相全桥z v s 变换器的建模分析 在控制系统中，建立系统的数学模型是非常重要的。控制模型是根 据物理规律求得系统中各个变量之间相互关系的数学描述，常用的形式 有微分方程，状态方程，传递函数等。它是对整个控制系统进行分析和 设计的基础，直接影响到控制策略的选择及参数的选定，进而影响整个 控制系统的控制性能。因此首先应该尽可能给控制系统建立一个完整的 数学模型。 p w m 型d c d c 变换器在工作时由于开关不断的开通和关断，所以 没有固定的电路结构。变换器的这些特点决定了其无法用一些经典的电 路分析方法，如拉氏变换等对其进行建模和求解。自七十年代末以来， 许多研究者在d c d c 变换器的建模方面做了大量的研究，提出了一些比 较实用的方法，如状态空问平均法，p w m 开关平均法等。1 9 7 6 年 r d m i d d l b r o o k 提出了著名的状态空间平均法，这种方法引用了时间平 均的思想，从p w m d c d c 变换器的各个开关模态的拓扑出发，通过对 状态空间的时间加权来得到统一的状态方程，然后对其进行小信号扰动 和线性化处理来得出统一的线性小信号模型。这种变换器建模方法的提 出大大推进了对d c i d c 变换器工作特性的理论分析i 。 2 1 移相全桥z v s 变换器的小信号模型 一般建立d c d c 变换器的小信号模型的方法是状态空间平均法，但 对于移相全桥z v s 变换器来说，应用状态空间平均法建模是一项十分复 杂的工作，因为它需要求解一个包括六个方程的三阶系统，且这些方程 的平均系数都是和状态变量有关的不确定函数。 而文献【t 2 】根据移相全桥z v s p w m 变换器源至于b u c k 变换器 的事实，从它的电路工作的描述中可以看出变压器副边电压的有效占空 比，d 。，= d 。，+ d 盯，不仅依靠变压器原边电压的占空比d ，而且依靠输出 滤波电感电流i 。，漏感k ，输入电压和开关频率正移相全桥变换器小信 号传递函数也将取决于漏感k ，开关频率工，滤波电感电流fc 扰动，输入 电压扰动，和原边占空比扰动d 等因素。为了精确地建立移相全桥变 o 第二章移相全桥z v s 变换器的建模分析 换器的动态特性模型，找出l ， ，il ，v , o 和d 对d 毋的影响是必要的。这些 影响可以加入到p w mb u c k 变换器的小信号电路模型中( 图2 一1 ) 从而 获得移相p w m 变换器的小信号模型。 图2 - 1b u c k 变换器的小信号模型 f i g 2 - 1s m a l l - s i g n a lc i r c u i tm o d e lo fb u c kc o n v e r t e r 文献【1 0 1 给出了，正，fc ，和d 对d 酊的影响，滤波电感电流蠢 导致的副边占空比调整由下式( 2 1 ) 表示： 扛罴 l ( 2 - 1 ) 在这r d = 4 n 2 l , k l ，负号表明如果滤波电感电流增加，d 盯将减少， 这种影响等效于一个电流反馈。而输入电压变化导致的副边占空比调整 也可由式( 2 - 2 ) 表示： z 2 等吒 ( 2 _ z ， 把上述分析的结果加入到p w mb u c k 变换器的平均小信号电路模 型中，也就是通过用d 玎的总变化d 彬来代替在b u c k 变换器小信号模型 的d 从而获得移相全桥z v s 变换器的小信号模型如图2 - 2 所示 d 盯= d + d ，+ d ，( 2 3 ) aa d 。，dv 的作用由两个受控源来表示，d 的作用由两个独立源来表示。 这里强调d i , d v 来源于电路本身( 即f 。和的扰动) 且不被控制电路控制。 从图2 2 的移相全桥变换器小信号模型中显示b u c k 变换器模型是移 华南理工大学工学硕士学位论文 相p w m 变换器模型的特例。通过使l 。= 0 ，即使d f ，d 。= o 得出这个结 果。 a 麴2 - 2 穆楣金橇z v $ 变羧器匏小僖芍模型 由以上移相全耩z v s 变换器的小信号模型图可以获褥一个围绕着 一个固定工作点的小信母状态空间表达式。如下式： 嘞静圯川- i i 尺l 刨 芹+ r 越秽静魄y 每凇 |， l ， iy 0 ) = 【01 扛0 ) ( 2 w 4 ) 在这里f ) 是指状态变量，u ( t ) 为输入变交，y ( t ) 为输出变量，印 x $ ) ；e 4 “。) 辅 列 朋* k ，1 】 a 在这里i 为滤渡毫惑毫漉小售号犹动，如必滤波毫容电压，l 、筵号撬 a 动，d 是占空眈小信号扰动，珑是输入电压小信号撬渤，i 。怒负载瞧 a 流小信号扰动，v 一是输出电聪小信号扰动，它等于v 。n 为变藤器副边 与鞭透静匝数滗，l 为输豳滤波电感德，c 为输蹬滤波电容谴，r 为受载。 k 。为变压器漏电感+ 1 2 第二章移相全桥z v s 变换器的建模分析 2 2 移相全桥z v s 变换器的准线性小信号模型m s 移相全桥z v s 变换器在额定工作点的线性小信号模型只能描述系 统在该工作点附近的工作特性。但是一般情况下d c d c 变换器的工作点 是随着输入电压，输出电压和负载电流的变化而变化的。当变换器的工 作点变化很大时，建立在额定工作点附近的线性小信号模型就很难对这 个变换器的工作特性做出准确的描述。因此需要建立另一种可以描述变 换器工作在工作点变化很大情况下的工作特性模型，即准线性模型。该 模型不需要假设变换器工作在一个固定的工作点附近，而是认为变换器 的工作点是变化的。准线性模型由稳态工作点模型和在该稳定点下的小 信号扰动模型两部分组成。稳态工作点模型描述系统在特定输入电压和 负载情况下的稳定特性，它是变化的：扰动模型描述变换器在稳定点下 的暂态响应；这样准线性模型就可以准确地描述出变换器在大的扰动下 的工作特性。对于移相全桥z v s 变换器来说，以它的输出电感电流， 输出电容电压k ，输入电压v 。和占空比d 为变量，对这四个变量加扰动， 则可得出精确的线性小信号模型。这个模型可以精确地描述移相全桥变 换器工作在固定工作点附近的特性。而在建立移相全桥变换器准线性小 信号扰动模型时，不是对以上所有四个变量都叠加扰动得出小信号扰动 方程。若选择输入电压不作线性化扰动，则作线性化扰动的变量就只包 括输出电感电流，。输出电容电压 及占空比d 这三个变量，这样移相全 桥变换器稳态工作点不再是固定的，而是随着输入电压的变化而变化。 由于变换器的工作点不再固定，从而上述变量小信号扰动的大小也应为 变量瞬时值与其在相应的稳态工作点稳态值之差，而不是瞬时值与固定 的工作点的稳态值之差。 2 2 1 准线性小信号扰动模型 由于在建立移相全桥变换器的准线性模型时选择输入电压不作线性 化扰动，因此可以根据建立移相全桥z v s 变换器线性小信号模型的原 理，在线性小信号模型图中去除输入电压扰动y 。对的影响的那一部分 毕赢理工大学工学硕士学位论文 信号，从_ 币i 得出准线性小信号扰动模型圈，如图2 3 所示 醋2 - 3 移相会桥z v s 交换器的准线性小信号穰鹜 f i g 2 w 3q u a s i l i n e a rs m a l l s i g n a lm o d e lo ft h ep s p w mc o n v e r t e r 姨箍畿可以凄以上瓣移裰全桥z v s 变换器静准线苍模型潮中获得 辫绕羞变纯工俸点豹准线性小信状态空鬻表达式。 二：翎x + p 飞陀p f 2 5 ) 在这里x ( t ) 为状态变量，d 为小信号占空比扰动输入，y ( t ) 为输出 变量，嬲x ( t ) 包括滤波电感电溅小信号扰动和滤波电容电压小僖号扰动 两个状态变量，分别等于输出电感电流和输出电压与它们的设定值之差。 l 为输出滤波电感值，c 为输出滤波电容值，r 为负载，为输入电压， n 为变压器副边与原边的匝数比，k 为变压器漏感，六为开关频率，1 为开关周期。离散化后可得出其差分方程如下： f x ( i c + 1 ) = a x ( k ) + b u ( t c ) 1y(站)：cx(七)(2-6) 2 2 2 移相全桥z v s 变换器的传递函数 由图2 3 可进行变换器的小信号分析，导出移相全桥z v s p w m 变 换器功率级的传递函数。 | ) 控制e l ( s ) 对输撼惑压矿。( 静健递交数( s ) 4 第二章移相全桥z v s 变换器的建模分析 卟五蠡 陋7 ) 2 ) 控制d ( s ) 对输出电流ic ( s ) 的传递函数g 。( s ) 弘老筹莓 陆8 ) l ，“= f i l 二西， j 2 毛c + s ( 兰+ 霞。c ) + ! l 互+ l 、r “ 足 3 ) 开环输出阻抗磊( s ) z 。( s ) = 孬万面赢s l + 面r d 再币两 ( 2 9 ) 2 。2 + 3 稳态工作点模型 逶常辕发电感邀滚z 。，输爨电容邀压碌会隧输入邀压交位蔼变化，毽 是在实际中，往往要求开关电源的输出电压维持在一个固定值。假设输 出电容枣联宅隧穰，l 、，鄹输出电容奄压就等予输出亳压，这样稳态工作 点( u 。o e ，妇，d 。) 中的输出电容电压是一个常数t 又由于变换器平均电感 电流等于负载电流，因此取其参考电感电流等于负载电流，即而移相全 桥z v s 变换器在稳定工终时稳占空毙可表示为系绞稳定点两个状态交 最相系统输入电压的函数。移相全桥z v s 变换器工作过程中存在着占 空比丢失的翊题，有效占窆比为次缀占空魄，和丢失的占空比a d 可分别表示为以下两式： = 学 ( 2 1 0 ) = 等2 ，o 一- - - ( 1 - d ) 三2 f l ” 从而控制用占空比d 。为有效占空比和丢失的占空比之和，最终得 出控制焉占空魄d 。为 。掣蒜等蹴华 陋嗡 它是随着输入电压的变化而调整的。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 3 本章小节 本章在总结d c d c 变换器建模方法的基础上，分别建立移相全桥 z v s p w m d c d c 变换器的小信号模型和准线性模型，它们可以分别适 用于移相全桥z v s d c d c p w m 变换器工作在一个固定工作点附近的情 况下和工作在系统参数变化很大的情况下物理描述，并且从这些模型得 出的状态变量表达式非常简单，求解方便，从而为设计移相全桥 z v s p w m 变换器的数字控制系统提供了数学基础 襄三露蒂藏壤g 箨鲢撵建靛嚣鑫避虚颥测控裁 第三章带前馈环节的极点配置囱遁成预测控制 在数字控划甄缆中，建立丁控制裂缝嚣数学模型薅，裁可以逡撵一转合适的 控裁繁酶采安现对系统豁控剿。一照数字擦裂策酶套赣糖全褥z v s p w m d c d c 变换嚣褐剽墩愿，热暴煺数字p i d 媳平均瞧滚模式控铡，裁馈控铡，模攒技铡， 极点融置自邋应控制，预测控制等，它 l l j 器旁露已魏谯缺点。甄蓠馈投铡戆技照 输a 撬蘸终爝遴褥溺节戆，娄予援凑瑷聪。藏壤攘裁器裁露潺节参数逮嚣潺节滋 补偿扰动对被调参数的黪响，黼调节参数辨不麓剿被调参数心现德麓以鼷才进抒 溺节。鑫逡疵控戳篱法戆挽点怒哥鞋裰嚣添绫工棒状悉鹣交纯禚蠡动逶节横型参 数和控制嚣参数，因此邋耪控制方法对系统输入激压和负载扰动舆蠢很强的拭予 抗能力，组穗适应撩铺的算浚梗复杂。掇赢酝鬟法静设计篱革，容搦实璐，爨悫 缀好豹穗态特性，键这耪簿法黠系绞戆参数嚣霉被感，缀难绦涟羟截系缆的稳邂。 如果将这三种控制葬法相结俞，克服它们锫自的缺点，丽又保持它们各鼠的优点， 赫露辍褥凌了一静控爨移橙垒捺z v s 交揆器懿蘸好控耩策臻，帮繁翁续繇节夔掇 点配鬣自通成控制策略。 鬣计数字挖鞭系统通鬻霄掰静方法：横季 l 法帮直接法。澳叛法鼹壤褥系绫黪 连续攘墼强设计好时闽逑续驹控制祭绞，然后黪连续繇绫离缴化簸槔到数牢控制 系统。而巍按设计法蹙奄离散域中根攒系统的离敞模爨端羧制系统新要求的控制 特潼謇浚诗数字控激器。塞羧设诗法霹戮燮好蟪反躞数字控糕款将点m ；。掰班零 文采糟奁羧设计法采设计移栩垒桥z v s 变换器的数字控制系统。 3 。t 控制系统前馕环节鹪设计m 骷m 轶篷| 一i 鑫哿主要波澎嚣中可以蓉爨，在 t l t s 瀵溺，输入龟攫黪澄农炭映戮 鞴懑嘏篷，在这期溺，输入沌蕊只怒完全翻澍交聪器源逸谐搬电感上，搿不向剐 法簧遴辘蘩，这魏莛势耩全疆z v s 瓷换器占空爨豢失靛臻象。毽燕京靛占警诧怒 变压嚣副迭的占空毙，它决定了辕爨邀餍豹转羧牵。轨，鞘美失魏占空琵d 可 分掰袭示为： ；学( 3 - l 黼= 等 ：岛一鲁弘骘t ：， 聩舞蜜藤器藤透黠戴透懿驻，溶予爨接逮蛹委舞关警黪占奎魄跫爨途占空 华南理工大学工学硕士学位论文 比d ，而d = d ，f + a d ，因此由以上二式推得d 的表达式如下： 驴掣斋岽锐坦 仔s ， 在这里v o 是输出电压，v 是输入电压，r 为负载电阻，t 为开关周期，l ，k 分别为滤波电感和谐振电感。由于输出电压对于开关电源来说应该为定值，所以 从上式可以看出当输入电压产生扰动时，用上式作为前馈环节，就可以很好地抑 制这一扰动，而不需要等到输出电压变化控制环节才作用。 3 2 控制系统的极点配置自适应环节的设计一2 1 ： 在控制系统中，系统的动态响应是由系统的极点决定。移相全桥变换器由于 自身的非线性特点，使得它的动态特性往往很差，并且有可能系统会出现不稳定， 因此需要通过极点配置反馈作用使系统的极点配置到所希望的极点上。控制方法 如下：在建立准线性小信号模型，获得离散域的状态空间表达式后， i x ( 七+ i ) 2 a x ( k ) + 8 “( 七) ( 3 - 4 ) 萁中a = e 芬毡不，b = l t ( f 一b l t b 2 ) t s i n ( 0 ) 0 ，0 = 。厅。五如粟采祥 频率比系绞约时阉豢数毫缀多，剿f 纨疋将小到可使8 2 1 , 0 - - 0 ，b ；- l 。b l b 2 ， 这一条件在d c ，d c 变换器中缀骞爨满足簿他上式缛坦y 蹦的售计值；，即 岁“芦女+ l 2 y k y k l + b i t 【群一u 一l 】 ( 3 - 1 | ) 如果每两个采样周期更新一次控制攫，就蠢嗽- - - u 纠，从丽上式可避一步简化 如下： 即 令 y t + l4y “42 y 女一y 一 ( 3 2 ) 7 一i y 女+ l = 皇二y ( z ) z 露( z ) ) ，( z ) ( 3 - 1 3 ) z 2 z - i 。局( z ) z 这就是基于线性外推法推导的输出估计值的算术式。 组合这秘预测器的离教 l 环控制系绕如图3 2 耩示： 第j 章带前馈环节的极点配置自适应预测控制 图3 - 2 带预测器的离散闭环控制系统 f i g 3 2t h e d i s c r e t ec o n t r o ll o o ps y s t e mi n t e g r a t i n gt h i sp r e d i c t o r 由于在推导这种预测器输出估计值时，使用了每两个采样周期更新一次控制 量的条件，因此移相全桥变换器不需要在每个开关周期变化控制量，即占空比， 从而可以节约数字控制器的大量资源，而这些资源可能用于完成其他的任务，例 如监控，通讯，电源管理等。 3 4 带前馈环节的预测数字控制的方框图及算法流程图 图3 3 是用数字信号处理器( d s p ) 去实现移相全桥变换器控制的方框图。 图3 - 3 移相全桥变换器控制方框图 f i g 3 3c o n