基于malab的pwm控制的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

基于malab的pwm控制的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

在能源模擬研究中，nb、pspic和saber軟件是目前國際上流行的三種模擬軟件。在使用上各有各的優(yōu)勢。MATLAB是一個(gè)高級(jí)的數(shù)學(xué)分析軟件,Simulink是運(yùn)行在MATLAB環(huán)境下,用于建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的軟件包,它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性及非線性系統(tǒng)。使用Simulink可以很容易地創(chuàng)建一個(gè)新的模型,或者是修改舊的模型。它的仿真過程是交互式的,可以隨時(shí)修改參數(shù),并且能夠立刻看到仿真結(jié)果。在MATLAB5.2中推出了電力系統(tǒng)工具箱(PowerSystemBlockset),該工具箱能夠?qū)﹄娏﹄娮酉到y(tǒng)進(jìn)行有效的仿真,而且可以同simulink配合使用,能夠更方便地對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真。隨著電源技術(shù)的發(fā)展,PWM控制的開關(guān)電源得到了廣泛的研究和應(yīng)用,如通訊電源,焊接電源,機(jī)車電源等。由于開關(guān)電源本質(zhì)上是一個(gè)離散的、非線性系統(tǒng),所以要建立統(tǒng)一的傳函在實(shí)現(xiàn)上很困難。本文在深入分析PWM控制的開關(guān)電源的基本原理的基礎(chǔ)上,運(yùn)用MATLAB建立了一個(gè)離散的、非線性仿真模型,較真實(shí)地反映了系統(tǒng)的各種性能。該模型不僅可以用來考查系統(tǒng)內(nèi)部主要狀態(tài)的瞬態(tài)變化過程,還可以用來對(duì)控制回路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。這對(duì)于提高控制系統(tǒng)的性能具有現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值。1電力器件電路分析如圖1形式的PWM控制的開關(guān)電源主電路原理圖:這是我們正在研制的機(jī)車用110V直流電源的的簡化的原理圖,高頻整流部分即第二次整流部分采用快速恢復(fù)二極管進(jìn)行橋式整流以減少整流管反向恢復(fù)過程的損耗。S1、S2、S3、S4四個(gè)電力電子器件采用IPM,使用SG1525A芯片進(jìn)行PWM控制。為避開音頻噪聲,選擇SG1525A的工作頻率為20kHz,工作頻率可由外部電路定。為了改善輸入輸出波形及電磁兼容性,在電路中有輸入濾波器和輸出濾波器。該電路的主要技術(shù)參數(shù)如下:輸入電壓:單相交流396-119～396+95V,輸出電壓:直流(110±1)V,輸出電流:0～80A,紋波系數(shù):≤1%。1.1模擬結(jié)果及分析SG1525A控制芯片輸出兩組脈沖,脈沖的頻率為20kHz,脈沖的寬度由輸入控制。使用SG1525A控制S1,S2,S3,S4四個(gè)電力電子器件的開通和關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)PWM控制。SG1525A的輸入電壓范圍是0～5V,輸出脈沖的幅值由外接工作電源確定。在MATLAB中可以很容易建立SG1525A的模型,以下模型的建立都是假定SG1525A工作于20kHz頻率。1)SG1525A的仿真利用積分關(guān)系來產(chǎn)生三角波,Simulink中Sources有脈沖發(fā)生器(pulsegenerator),使其產(chǎn)生頻率為20kHz,幅值為2,占空比為50%的信號(hào)X(t)1。令X(t)2=X(t)1-1。則X(t)1={2?0?0.000025×(n?1)≤t≤0.000025×n?t為其它?(n=1,2,3,4?)；X(t)1={2?0.000025×(n-1)≤t≤0.000025×n?0?t為其它?(n=1,2,3,4?)；X(t)2={1??1?0.000025*(n?1)≤t≤0.000025*n?t為其它??(n=1,2,3,4?)。X(t)2={1?0.000025*(n-1)≤t≤0.000025*n?-1?t為其它??(n=1,2,3,4?)。對(duì)X(t)2在整個(gè)時(shí)間軸上積分,只考慮兩個(gè)周期的即從0到0.0001,其它的周期同這兩個(gè)周期波形相同。Y(t)=∫0.0001000.0001X(t)dt=∫0.000025000.0000251dt+∫0.000050.0000250.0000250.000051dt+∫0.0000750.000050.000050.0000751dt+∫0.00010.0000750.0000750.0001-1dt。從Y(t)前兩個(gè)周期的表達(dá)式可以看出,Y(t)是一個(gè)周期為20kHz的三角波。利用Simulink中的Math庫的邏輯操作符產(chǎn)生兩組脈沖。這樣就比較準(zhǔn)確地模擬了1525A的實(shí)際工作情況,MATLAB的仿真結(jié)果如圖2所示。2)設(shè)SG1525A的輸入為α,其兩路脈沖輸出為β1和β2,用輸入同三角波信號(hào)進(jìn)行比較,比較的結(jié)果控制輸出脈沖的寬度,α越大,輸出脈寬越大,反之則越小。輸出脈沖的幅值由外圍電路確定,設(shè)定為15V,所以其輸入輸出關(guān)系可近示為:β1={15?0?1×10?4×(n?1)+5×10?6(5?α)≤t≤1×10?4×(n?1)+4.5×10?5(5?α)?α為其它；β1={15?1×10-4×(n-1)+5×10-6(5-α)≤t≤1×10-4×(n-1)+4.5×10-5(5-α)?0?α為其它；β2=β1(t-5×10-5),t≥5×10-5;(n=1,2,3,4,…)。利用Math庫的邏輯操作符和上述的三角波發(fā)生器以及雙脈沖建立的SG1525A模型,并給出了輸入為2時(shí)的仿真結(jié)果如圖3所示。利用子系統(tǒng)封裝技術(shù)將SG1525A模型進(jìn)行封裝,以便于使用。1.2反饋電壓ug控制回路是一個(gè)非線性環(huán)節(jié),在分析控制回路各個(gè)量之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立一個(gè)非線性的數(shù)學(xué)模型。由圖4可知,Ur是參考電壓,Ug是反饋電壓,令U0為LM139的輸出。根據(jù)虛短的概念,Uo=Ur?R20R13(Ug?Ur)?Uc12?Uc12=1R20C12S+1(Ur?Uo)。Uo=Ur-R20R13(Ug-Ur)-Uc12?Uc12=1R20C12S+1(Ur-Uo)。1.3輸入電路的建模使用電力系統(tǒng)工具箱的整流橋模塊和電源模塊以及電阻電容模塊可以很便捷的建立輸入回路的仿真模型。1.4電容結(jié)果分析由圖1可知,輸出回路中的整流二極管不能流過反向電流,這也是一個(gè)非線性環(huán)節(jié),同控制回路的分析類似,建立非線性的數(shù)學(xué)模型,將輸出濾波器的電感電容折和平波電感電容折算在一起,令第二次整流的輸出電壓為Ui,總的電感電流為IL,電壓為UL;總電容電壓為UC,電流為IC;負(fù)載電壓為UF,電流為IF。根據(jù)圖1可得:UF=UC;UL=Ui-UF。IL=∫ULdt=∫(Ui-UF)dt;IC=IL?IF?IF=UFRΙC=ΙL-ΙF?ΙF=UFR。UF=UC=∫ICdt=∫(IL-IF)dt。1.5系統(tǒng)建模根據(jù)以上的分析,將各個(gè)部分連接起來,利用MATLAB就可以建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型。2負(fù)載過流保護(hù)根據(jù)實(shí)際電路的參數(shù),輸出濾波器電感和平波電感折算后大約為4.29mH,電容折算后約為1100～1300μF,取1200μF;滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)電阻約為1.375Ω。將仿真模型的參數(shù)按以上參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行仿真。2.1超調(diào)量的仿真電路的參數(shù)為:L=4.29mH,C=1200μF,R=1.375Ω.根據(jù)電路的仿真波形可得:系統(tǒng)的超調(diào)量:σ%=4.96%上升時(shí)間為:tr=0.0052s系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為:0.5V仿真結(jié)果真實(shí)地反映了系統(tǒng)的輸出。2.2突變負(fù)載下電壓特性仿真好的仿真模型應(yīng)該能夠反映有擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的性能。負(fù)載的突變可以看成一個(gè)很明顯的的擾動(dòng)。當(dāng)負(fù)載從1.375Ω突變到2Ω,其仿真結(jié)果見圖7。從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),電壓波形出現(xiàn)一個(gè)尖峰,但在不到0.02s的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)就恢復(fù)了穩(wěn)定。由此可見,模型較真實(shí)的反映了系統(tǒng)的抗干擾特性。3matlab仿真中的問題從仿真結(jié)果可以看出,該模型十分準(zhǔn)確的反映了系統(tǒng)的