正激变换器及其控制电路的设计及仿真.docx

1、正激变换器及其控制电路的设计及仿真正激变换器及其控制电路的设计及仿真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：70mV（峰峰值）；5、效率：78；6、负载调整率：1；7、满载到半载,十分之一载到半载纹波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：

2、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得到变比：n=3.

3、3（2）最大、最小占空比最大占空比Dmax 定义为Dmax =，式中Uin(min) =100-20=80V，Uout =12V，n=3.3，Ud 为整流二极管压降，所以Dmax =0.495。最小占空比Dmin 定义为Dmin = ，式中Uin(max) =120V，所以Dmin =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=510-6 s，根据公式：C=，式中取Iripple =0.2A，Vripple =0.07mV，所以C=1.79F。为稳定纹波电压，放大电容至50F。（4）电感可使用下列方程组计算电感值：Uout =L，dt=

4、，式中Uout =12V，di取为0.2A，Dmin =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：图2 正激电路的开环仿真模型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

5、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

6、位裕量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)=,代入数据，得到G0 (S)=。3、未补偿的开环传函的Bode图图7 开环传递函数伯德图从图中可以看出，穿越频率为6.89103 Hz，小于要求的最小开关频率=20000Hz，且以-40dB穿越横轴，相位裕度仅为1。三项指标都不符合。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fc1 =2.5104 Hz，c1 =2fc1 =1.57105 rad/s。在f=2.5104 Hz处，原伯德图的增益为-22.6dB，相角为-179。取相位裕度为50，则需补偿49。新补偿的函数可分为PD和PI两部

7、分（1）PD环节设PD环节的传递函数为G1=Kp（1+s），作出其伯德图，得到以下比例关系：，所以=7.3310-6 。又20lgKp=22.6，所以Kp=8.848。得到G1=8.848（1+7.3310-6s）（2）PI环节取PI环节传函为G2=。（3）补偿传函G3G3=G1G2=。即Kp=8.848, Ki=8848, KD=6.5e-5。5、补偿后系统的新开环传函GnGn=G0 G3=。其伯德图如下：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，且剪切频率为2.49104 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

8、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12切到24，在t=0.03s处负载由24切到120，在0.05s处由120切到24。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。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，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

9、 =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100=0.001251。满载，半载，1/10载的电流纹波基本相等，均不到1mA。变压器原边电流为0.1521A,所以效率=78.9。均符合要求。8、补偿后系统的伯德图图

10、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2.12104Hz，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、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：（1）模糊集合均为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB，e的域为-1，+1，的域为-0.5，+0.5。U的域为-1，+1。（2）隶属度函数均选三角函数，input1为e，input2

11、为，output为U。例如，变量的隶属度函数如下图所示：图18 输入的隶属度函数2、模糊规则的建立（1）模糊规则表如下：EECNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPBPMPMPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNBNBPBZENSNSNMNMNBNB表1(2)Fuzzy控制器规则库如下：图19控制器规则库3、Matlab仿真分析通过开环的输出电压范围，初步确定对于e，Gain1=65，对于，Gain2=10-5 。由采样定理，采样频率 为开关频率的2倍，即400KHz

12、，从而采样时间为2.510-6 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350mV；半载时纹波为170mV；1/10载时纹波为30mV。两次切载的尖峰电压分别为300mV和150mV。未切载输出电流基本稳定在1A，在满载时纹波为30mA；半载时纹波为7mA；1/10载时纹波为0.3mA。输出基本上符合要求。第六章 总结从闭环PID控制和Fuzzy控制的仿真结果的对比中可以看出，Fuzzy控制的控制方式更加简单，稳定度高，且纹波也基本满足要求。由于不用进行大量的数学模型的计算，更加快捷。且Fuzzy具有较好的鲁棒性和适应性。