具有隔离的DCDC降压变换器的仿真设计.docx
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具有隔离的DCDC降压变换器的仿真设计
具有隔离的DC-DC降压变换器的仿真设计
1.设计要求
输入电压:
UIN=100±20V;
输出电压:
UO=12V;
输出电压纹波:
ΔU<70mV;
输出功率:
PO=12W;
效率:
>78%;
半载切满载,满载切半载,输出电压变化小于200mV;
10%负载切半载,半载切10%负载,输出电压变化小于200mV;
负载调整率小于1%;
变换器带有隔离环节;
2.开环参数设计
根据输入输出电压值和要求带有隔离环节,本文采用正激变换器。
为了便于仿真,本文使用线性变压器,省略原端磁复位结构。
设定变压器匝数比为4,由
,得开环占空比D=0.48。
让电路工作在电流连续模式,由公式
,求出电感最小值31.2uH,取电感值为48uH;由公式
,求出电容最小值为27.8uF,取电容值为60uF。
观察开环仿真输出,纹波峰峰值约为25mV,小于70mV,满足要求。
纹波波形如图所示:
3.闭环系统PID方案的参数设计和仿真
闭环系统框图如下:
其中,Gc(s)为控制器的传递函数,Gm(s)为幅值等于1的三角波比较器传递函数,因为直接把输出电压反馈回系统,所以H(s)=1。
由于开关电源是一个线性与非线性相结合的综合系统,研究起来比较困难,本文应用状态空间平均法来对其中的buck电路拓扑进行小信号分析,不考虑“ESR零点”,得出buck电路的小信号标准化模型为:
,由此可知系统的开环传递函数为
。
代入数据可以得到系统的开环传递函数
。
此时,未校正的系统伯德图如下所示:
从图知开环系统的相角裕度为0.871度,为使系统有良好的相对稳定性,选取剪切频率为开关频率的1/5,即20kHz。
从图读出20kHz时增益为-5dB,选相角裕度为50度,则20kHz处需要校正的相角为+49.129度。
已知PID控制器的传递函数为Gc(s)=
,设PD环节传递函数GPD=KP(1+τs),由相频特性和幅频特性得出:
(1)
(2)
解方程
(1)和
(2)得
,
,则
。
设PI环节的传递函数
(让积分常数的倒数位于低频段),则
。
为了使系统的超调减小,波形更理想,在仿真时对参数进行了微调,最终确定的PID参数为:
KP=1.16,KI=1000,KD=
。
Gc(s)的伯德图如下:
将控制器传递函数与原来的开环传递函数相乘,得到校正后系统的开环传递函数为:
G(s)=Gc(s)Gd(s)=
。
对应的校正后伯德图如下:
对电路拓扑用MATLAB进行搭建,闭环仿真电路图如下:
下面进行波形分析与指标测试:
(1)不加干扰时输出电压波形:
输入电流波形:
有以上两幅波形可以算得:
超调σ%=1.15%,纹波峰峰值为23mV,调整时间ts=1.26ms(Δ=0.05),额定效率
=
=83.33%,均满足要求。
(2)满载半载相互转换
在0.004s时将负载由满载切换至半载,电压波动约为72mV,0.008s时将负载由半载切回至满载,电压波动约为75mV。
两次切载电压波动均小于200mV,满足要求。
波形如下:
(3)轻载(10%负载)与半载转换
在0.004s时将负载由半载切换至轻载,电压波动约为84mV,0.008s时将负载由轻载切回至半载,电压波动约为60mV。
两次切载电压波动均小于200mV,满足要求。
波形如下:
(4)电源扰动分析
在0.004s加扰+20V电源扰动,输出电压波形如图所示:
由图算得电压波动为110mV。
当0.004s时加入-20V的电源扰动,输出电压波形如图:
由图可知电压波动为-132mV。
所以在电源输入UIN=100±20V情况下,输出完全满足要求。
(5)负载调整率测试
满载切半载时的负载调整率为
;
满载切轻载时的负载调整率为
;
所以两种情况的负载调整率均小于1%,满足要求。
最后看一下系统先后经历满载切半载,半载切满载,和电源+20V扰动时的输出波形:
4.闭环系统FUZZY控制仿真
在PID仿真电路基础上搭建FUZZY控制的闭环系统,如图所示:
由于输入量只有E和EC,系统对静差的消除作用较小,以至于在满载切换到轻载时波形波动严重,并且加入电源扰动时波形也会发生畸变。
针对以上问题,采用PID与FUZZY控制相结合的方法,加入比例积分控制模块,以使系统的静差最小。
仿真时调节差分增益K和比例环节的增益参数Gain,同时给予适当的积分增益Kp,使波形达到理想,改进后的电路图如下:
然后,建立FUZZY文件,两个输入量分别为E和EC,变化范围均为-1到1,一个输出量output1,输出范围为0到1,每个变量的隶属度函数选用5个。
其中对E和EC的参数设定如图所示:
函数的规则库为模糊控制的核心,如图所示:
对MATLAB中FUZZY的规则库进行设定,如图所示:
测得的电压信号经过与参考电压比较后得到一个差值信号E,E经过差分和比例放大后送入FUZZY模块中,经过模糊化、模糊推理、反模糊化后给出控制信号,然后和三角波比较后形成PWM门极脉冲,控制MOSFET的通断,进而控制输出电压大小。
下面进行波形分析与指标测试:
(1)基本参数测试:
由图可知输出电压波形超调为21.2%,输出电压纹波约为35mV,调整时间为0.73ms。
(2)切载测试:
在0.01s时从满载切到半载,0.015s时从半载切回满载,输出电压波形如下:
由图知两次切载电压波动均约为35mV,小于200mV,满足要求。
在0.004s时从半载切换到轻载(10%负载),0.018s时从轻载切回到半载,输出电压波形如下:
由图可知第一次切载电压波动为70mV,第二次切载电压波动为35mV,两次均小于200mV,满足要求。
(3)输入扰动测试:
在0.01s时,输入加入+20V扰动,输出电压波形如下:
由图知电压波动为43mV,小于200mV,符合要求。
在0.01s时,输入加入-20V扰动,输出电压波形如下:
由图知电压波动为25mV,小于200mV,符合要求。
(4)负载调整率测试:
满载切半载时的负载调整率为
;
满载切轻载时的负载调整率为
;
所以两次切载的负载调整率均小于1%,满足要求。
最后看一下系统先后经历0.006s时满载切半载,0.01s时半载切满载,和0.015s时电源输入+20V扰动时的电压输出波形:
5.遇到的问题和心得体会:
PID控制主要难点是PID参数的计算,方法不一,但最终目的都是为了校正开环伯德图,本文先后采用了三种方法,考虑到幅频和相频特性,低频段特性,以及剪切频率处的穿越特性,最后选取了一组仿真效果最好的参数。
FUZZY控制的核心是建立合适的规则库,本文选择的隶属度函数为5个,在输出静差较大同时切载畸变的情况下,加入了比例积分模块弥补了FUZZY的不足,使输出结果十分理想。
由于本次作业为仿真验证,对很多模块采用了理想化处理,如忽略了电容的ESR,对变压器采用了线性化处理,避免了磁饱和,由此也忽略了磁复位电路对整个传递函数的影响,在调节PID参数时,假定的微分环节为理想微分,而实际并不存在理想的微分环节。
同时,由于过于理想,PID控制时的负载调整率非常小,与实际情况不符。
但是,在实际应用中,不但要考虑以上问题,变压器的绕制以及EMI的处理都会十分棘手。
通过此次作业,我获益匪浅,尤其是对PID的理解与应用,知道参数对于系统的重要性,一组好的参数加上系统小幅度的调整就可达到满意的效果。
对于FUZZY控制我也有了更深入的理解,知道了FUZZY控制的优点和不足,学会了初步运用PID与FUZZY的结合来解决问题。
与此同时,我深刻地体会到仿真与实际的差别,通过仿真我了解了系统的原理,参数对系统的影响,以及对参数进行整定的趋势,但是在实际应用中还需更多的努力与实践!