正激变换器及其控制电路的设计及仿真

1、正激变换器及其控制电路的设计及仿真电气工程张朋13S053081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

2、.课题研究内容：1、本文首先介绍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DIrmViUo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

3、电压和输出电压之间的关系得到 变比：Uinn=U outD=1000.4 =3.312(2) 最大、最小占空比最大占空比 Dmax 定义为D max =U out U din minn式中 Un(min) =100-20=80V, 所以 D.ax =0.495。最小占空比Dnin定义为5=12V, n=3.3 , Ud为整流二极管压降,U out U dDmin =-1 Uin maxn式中所以Un (max) =120V,Dnin =0.333。(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。取开关频率f=200KHZ 则 T=5X 10-6s,根据公式：1 I rippleC=,f

4、V ripple式中取 I ripple =0.2A，Vripple =0.07mV,所以C=1.79卩F。为稳定纹波电压，放大电容至50卩F。(4)电感可使用下列方程组计算电感值：pi:UOut =LX 2 ,dt式中 U0ut=12V, di 取为 0.2A, D-=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：T DCVctageSowiri丄Tc恥L图2正激电路的开环仿真模

5、型2、仿真结果在Matlab上进行仿真，得到如下的输出电压，及其纹波，输出电流及其纹波的波形:图3开环电压波形图4开环纹波电压图5开环电流波形图6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1mV输出电流是0.998A，纹波电流不到0.1mA。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

6、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 1/51/10。（2）幅频特性曲线应以-20dB的斜率穿越横轴。（3）相位裕量丫 45 °。2、开环传递函数：查阅资料得到未补偿的开环传递函数为：G0 (S)=Un代入数据，得到G0 (S)=30.31.67 10 8s22.783 10 5 s 13、未补偿的开环传

7、函的Bode图dp - nrrt Irtn * J2I w<hgi图7开环传递函数伯德图从图中可以看出，穿越频率为6.89 103 Hz,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°。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1首先确定补偿后系统的剪切频率fci =- 200K =2.5 X 104 Hz,3 ci =2n fci8=1.57 X 105 rad/s在f=2.5 X 104 Hz处，原伯德图的增益为-22.6dB，相角为-179。取相位裕 度为50°,贝U需补偿49°。新补偿的

8、函数可分为PD和PI两部分(1) PD环节设PD环节的传递函数为系：G1=Kp( 1 + t s),作出其伯德图，得到以下比例关0c1 tan 491 ，所以 t =7.33 X 10-6又 20lgKp 12 C12 =22.6 ,所以 Kp=8.848。得到 G1=8.848 (1+7.33 X 10-6s)(2) PI环节取PI环节传函为G2=S 1000。s(3) 补偿传函G352G3=GXG2=64856 10 s8848ss8848。即 Kp=8.848, Ki=8848, K D=6.5e-5。5、补偿后系统的新开环传函GnGn=GG3.96514 10 ：s：1.67 10 8

9、s3268.0944s268094.4522.783 10 s s其伯德图如下:i 4Jm-*u ：J>Mig-liri* idD 0 IZ7TFg图8补偿后系统伯德图.H宀$一 Ham从图中可以看出，此时系统的幅频特性曲线以-20dB穿越横轴，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Timerl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

10、12V比较后进入PID,再与三角载波形比较，在Matlab上进行仿真，得到如下的电压波形:通过此图可以看出输出电压超调过大，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11调整PID参数后的输出电压波形图12满载电压纹波波形图图13切载后第一个尖峰图14切载后第二个尖峰图15输出电流波形图16满载输出电流纹波波形从图中可以看出，此时输出电压基本稳定在12V,且无超调。满载输出平均11.9995 11.9993511.9995电压约为11.999

11、5V,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X 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 9995 11mA变压器原边电流为 0.1521A,所以效率n =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 « it I =n " KT £ das taiH 口lYZM 吐 |11.鼻-弓3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2.12 X 104Hz,约为

12、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、模糊化设计对误差e、误差变化率de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-0.5 , +0.5。U 的域为-1 , +1。de(2) 隶属度函数均选三角函数，input1为e, input2为一，output为U。dt2

13、、模糊规则的建立(1)模糊规则表如下:*ECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB(2)Fuzzy控制器规则库如下:E f IMI1lwn>；UJI «l4i>glli rirami fcriFi.Fr巧 w her -«jbri 曹玛i ib* <f |N1Il /hv-».4Ml5 FF Brcri-rSinraP'ILIt

14、I4H 耳：i 叫'b |rJl 、§ re 'rru'ia 芒"tw 'aipLEl 2|- p k H.呼#1彰赳| ff*|呼昱if电fVT泗川耳唯 门 U r IfVLFI A 'dl fU |gEZ iE.MJilWi rtPE： T 4J|sJ!zd1 1|-袖eHt哽自町1 E"MX内 |厂r|Wir r冷0胆啊口零函卄说审"罕工E 14 H IBdJ L 刪 |luull <c H：. !.，上 W Bl；iil rl iHdl a MSjniimpdlaten池鼻Ml < FUj n|

15、 mrniwi MEizg.irtwHuspi.務i f >uHj t_4F> rl)iM.afiMla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=10-。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 10-6 s。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：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f 1H 1Ua il ft ft ft a M.I. fi -vIy J* y 1 If# V M11rT-口 V71图22切载前后纹波及切载尖峰电压波形图图23输出电流波形从图中可以看出，输出电压基本稳定在 12V,在满载时纹波为350m