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隔离式开关电源的设计 隔离式开关电源的设计 设计要求 拓扑的选择与参数计算 开关变换器的动态建模 基于MATLAB的仿真电路及PID控制器参数的调节 基于MATLAB的仿真电路及模糊控制器的设计 第一章 设计要求 输入电压：100±20V 输出电压：12V 输出电压纹波：70mV（peak to peak） 负载调整率：1% 输出功率：12W 效率：78% 负载从10%切换到半载，半载切换到满载的纹波：200mV 第二章 拓扑的选择与参数计算 拓扑的选择 本设计采用隔离式正激变换器，其拓扑图如下所示： 图2-1 正激直流变换器拓扑图 参数的计算 1、电感器的计算： 其中 ——输出电压 ——输出电流纹波 ——占空比 ——开关周期 2、电容器的计算： 其中 ——输出电压纹波 上述计算值为理论设计的电容器的最小值，顾可选电容器的容量为60μF。 3、变压器的变比： 可得 其中 ——输入电压 根据计算，取3.5。 第三章 开关变换器的动态建模 正激直流变换器如图3-1所示，主电路拓扑由全控型器件VT，电感L0、滤波电容C0、二极管D1、D2、负载RL和变压器组成。 图3-1 正激直流变换器 在，开关管VT导通，二极管D1导通，D2截止，电源通过理想变压器给电感L0充磁、给电容充电，且给负载供电。此时，电路的状态方程如下所示： (1) 在，开关管VT关断，二极管D1截止，D2导通，电感L0和电容C0释放能量，共同给负载RL供电，此时状态方程如下所所示： （2） 由（1）和（2）取平均化，可得以下矩阵方程。 （3） 引入小信号扰动，消去稳态分量和二次项分量，得到交流小信号状态方程。 （4） 由状态方程，可以求得正激变换器从控制到输出的传递函数为： （5） 带入、和可得： （6） 第四章 基于MATLAB的仿真电路及PID控制器参数的调节 一、开环系统模型及传递函数的仿真 1、开环系统的电路图及电压电流仿真结果如下所示： 图4-1 开环正激变换器电路图 图4-2开环电压波形 图4-3开环电流波形 可以看到，开环时输出电压大于12V，只稳定在12.8V左右，纹波电压是非常大，说明开环输出稳定性差，电路中存在管压降等误差以及其他电路参数影响，需适当增大占空比才能稳定到12V。 2、开环系统的传递函数的仿真 根据第三章计算出的开环传递函数，应用MATLAB仿真结果如下图所示： 图4-3 系统开环伯德图 从图中可以看出，穿越频率为5.94KHz，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。三项指标都不符合。因此必须加入补偿环节。 二、闭环系统的PID控制器设计及仿真 首先确定补偿后系统的剪切频率fc1= =2.2×104Hz,ωc1 =2fc1=1.38×105 rad/s。 在f c1=2.2×104Hz处，原伯德图的增益为-23.2dB，相角为。取相位裕度为，则需补偿。新补偿的函数可分为PD和PI两部分。 1、PD环节 设PD环节的传递函数为，画出其伯德图，得到以下比例关系： 所以τ=1×10-5 。 又 所以=7.935。 得到 2、PI环节 取PI环节传函为。 3、补偿传函 即, , KD= 。 4、补偿后的系统开环传函为： 经过仿真后，系统的伯德图如下： 图4-4 系统闭环伯德图 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20.3KHz，相位裕度为，完全符合设计要求。 5、应用MATLAB对实际电路的仿真 用Mosfet 1和2控制切载过程。用Timer1和Timer2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，从而控制占空比。 图4-5 闭环系统的电路图 通过仿真得到如下电压波形： 图4-6 闭环系统的输出电压波形 图4-7 输出电压纹波 图4-8 满载到半载输出电压纹波 图4-9 半载到