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1、精选优质文档-倾情为你奉上半桥式DC-DC变换器设计 【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。本文通过对Buck变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。半桥式DC
2、-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。【关键词】Buck 半桥 DC-DC MATLAB【ABSTRACT】In recent years, with the development of power electronic devices，control theory and the increasing demand of high-quality power supply, power electronics technology has aroused widely attentio
3、n from scholars. Power electronics technology is used gradually in civilian industrial areas in some developed countries. With the national economic development, the various converters for different requirements are developed and the related technology is studied by scientist and scholar. In this pa
4、per, the Buck circuit structure and working principle are analyzed and a half-bridge DC-DC converter is designed. The designed converter uses closed loop control scheme and realized the function that the power form is converted from 400 V DC voltage to 5 V DC voltage. The output voltage is stable an
5、d the performance of the designed converter is ensured. Simulation study was carried out and effectiveness of the designed converter is verified by simulation results.【Key words】Buck half-bridge DC-DC MATLAB 目 录专心-专注-专业1 绪 论1.1 研究背景随着科技的发展，在人们的日常生活中，电力已成为与生产生活息息相关的一部分，在各个场合，人们都需要各式各样的电力来为其服务，然而并不是所有
6、的电力都能在一开始就能满足需要，于是就要求有电力变换的过程。直流-直流变换器（DC-DC）作为一种应用广泛变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC-DC可分为750W以上、750W1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC-DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W25W DC-DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC-DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W750W的D
7、C-DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC-DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。DC-DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器现已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右,功率密度为0.
8、31W/cm31.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。 电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中，通常将整流器称为一次电源，而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR
9、)通过MOSFET或IGBT实现高频工作，开关频率一般控制在50kHz100kHz范围内，实现高效率和小型化。 因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压，可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加，其电源容量也将不断增加。 1.2 变换器简介无论时那一种DC/DC变换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只是迅速地开通，快速地关断这两种状态，并且
10、快速地进行转换。只有力求快捷，使开关快速的渡过线性放大区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关多是双极型晶体管，功率场效应管，逐渐普及的有IGBT管，还有各种特性较好的大功率开关元件，例如SITH（静电感应晶闸管）和MCT（场控制晶体闸流管）。变换器有以下几类分类方式：（1） 正激变换器 在Buck电路的开关管与续流二极管之间加入变压隔离器便得到一个单端正激变换器。由于在开关管关断时，电压有尖刺，输出电压有纹波，故多在小功率场合得到应用。 （2） 反激变换器 是由Buck-Boost推演并加变压隔离器后得到的。它的电路简单，能够高效提供直流输出，因此在要求有多组直流输出电压时特别常用，它
11、的缺点是关断时电压有尖刺，输出纹波电压过大，通常输出功率在250W以下，电压和负载调整率要求在5%-8%左右。（3）推挽变换器 带中心抽头变压器原边两组线圈轮流工作的线路一般称为推挽线路。由于功率开关管电压应力两倍与电源电压，而且主变压器原边利用率也不如全桥、半桥那样高，输出电压随输入电压和负载变化而变化。但是在低输入电压（如48V）时，推挽电路比半桥或全桥优越。因为任何时候最多只有一个开关元件工作，对于输出相同功率，开关损耗比较小。所以推挽在低压输入的大功率变换器（1000W）得到广泛应用。（4）半桥式变换器 由两个电容器和两个开关管组成两个桥，桥的对角线接变压器的原边绕组，故称半桥变换器。
12、半桥式变换器减小了原边开关管的电压应力，结构简单 ，功率器件少，所以在中小功率场合得到广泛应用。（5）全桥式变压器 主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。因此变压器铁心和绕组的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压，四个能量回复（再生）二极管能消除一波分由漏感产生的瞬间电压。这样无需设置能量恢复绕组，反激能量便得到回复利用。但是，它需要较多的功率原件，成本提高，电路略显复杂，在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率消耗变大，适用于高压离线开关电源系统。本
13、文设计电路将400V恒定直流输入变为5V稳定直流输出，输出功率较低，所以我们采用半桥式变压器。1.3 本文研究的内容本文研究的内容主要包括：(1) 研究半桥式DC-DC电力变换电路的工作原理。(2) 研究PWM调制方法的机理和半桥式DC-DC变换电路的控制方法。(3) 设计从400V 到5V的半桥式DC-DC变换器。(4) 采用MATLAB工具对所设计系统进行仿真研究。2半桥式DC-DC变换器的工作原理2.1半桥式DC-DC变换器的基本电路图及工作原理半桥式DC-DC变换器是由Buck基本变换器串入半桥式变压隔离器派生而来的。因为减小了原边开关管的电压应力，且电路结构简单，在中小功率上得到广泛
14、应用，所以半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。下边就对半桥DC-DC变换器的工作原理进行分析。为了分析稳态特性，简化推导过程，首先假定：（1）开关晶体管、二极管均为理想元件。也就是可以瞬间的导通和截止，而且导通时的压降为零，截止时的漏电流为零。（2）电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。（3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。基本电路图如下：图2-1 半桥式DC-DC变换器基本电路图电容器、与开关晶体管、组成桥,桥的对角线接变压器T原边绕组,故称半桥式变换器。 如果,某一开关晶体管导通时,绕组上电压只有电源电压的一半。稳态条
15、件下, =,当导通时,上的加在原边线圈上,流过负载电流。电路通过开关管、原边绕组、电容形成回路，此时原边绕组上下两端极性为上正下负，经过占空比所定的时间后,关断。由于原边绕组存在，方向不变，值逐渐变小，此时B点为负电位，导通，反激能量再生，对充电。B点连接点的电压在阻尼电阻的作用下以振荡形式最后恢复到原来的中心值。关闭一段时间后，给一个触发脉冲，导通，原边绕组黑点端变负。电路通过电容、原边绕组、开关管形成回路，重复以前过程。不同的是，方向变反，关断时接点B摆动到正，导通，反激能量对充电。副边电路的工作如下:当导通时,副边绕组电压使导通,电流通过二极管、电感、负载构成回路，当关断,两个绕组电压变
16、为零。导通时，导通，负载上的电流与电压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过和构成的滤波环节产生稳定的输出电压。如图2.2图2-2 原边开关管电压及输出电压波形2.2 Buck变换器半桥式DC-DC变换器是由Buck变换器派生而来，所以他就具有Buck基本变换器的本质特征，所以下边我们对Buck变换器的结构以及工作原理进行分析。2.2.1 线路组成 图2-3(a)所示为由单刀双掷开关S、电感原件L和电容C组成的Buck变换器电路图。图2-3(b)所示为由占空比D工作的晶体管、二极管、电感L、电容C组成的Buck变换器电路图。电路完成把直流电压转换成直流电压的功能。 (a) (b)图2-3
17、Buck变换器电路2.2.2 工作原理 1.工作过程当开关S在位置时，有图2-4（a）所示的电流流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过的电流，两端输出电压，极性上正下负。当时，电容在充电状态。这时二极管承受反向电压；经时间后（，为S在a时间，是周期），当开关S在位时，如图2-4（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流不变。负载两端电压仍是上正下负。时，电容处在放电状态，有利于维持、不变。这时二极管，承受正向偏压为电流构成通路，故称为续流二极管。由于变换器输出电压小于电源电压，故称它是降压变压器。工作中输入电流，在开关闭合时，开关打开时，故是脉动的，但输出电流
18、，在L、C作用下却是连续的，平稳的。 (a) (b) 图 2-4 Buck变换器的电路工作过程2.2.3 电路各点波形 按电感电流在周期开始时的值，可分为电感电流连续工作模式和电感电流不连续工作模式两种，波形分别如图2-5（a）、（b）所示。 （a） （b）图2-5 Buck变换器的工作波形图当所选的能达到所需的输出滤波要求时，可以选的足够大，以便使开关变换器保持在连续的工作状态，但电容器本身没有完美的电气性能，所以其内部的等效串联电阻将消耗一些功率。另外等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压，欲要减小这些纹波电压，只能靠减小等效串联电阻的值和动态电流的值。选择电容的类型，经常有纹波电流的大小
19、决定。截止频率的高低，的大小，都将影响输出纹波电压。在实际设计过程中，选择电感和电容时，要综合考虑其重量、尺寸及成本等因素。从改善动态特性看，可考虑选择小电感，大电容值。2.3 带变压隔离器的DC-DC变换器拓扑下边对变压隔离器进行分析，带变压隔离器的变换器是从以上的基本变换器派生、组合、演变而来的。所谓派生是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上而形成的电路。由于变压隔离器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此，可得很多电路。由于有了隔离功能的双绕组，绕组可以靠匝数比不同调节变化，因此，电路电压增益变化不只靠占空比，还可以靠绕组匝比，这就给设计带来了很多好处，也大大提高了稳定性和可靠
20、性。前面分析了Buck电路变换器,虽然它们完全可以完成直流电压的变换。但是,它们实际上存在着转换功能上的局限性。例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大，以及无法实现多路输出等。这种局限性只能用另一种开关变换器中的重要部件变压隔离器来克服。双绕组变压器的符号，必要时在原副线圈上加上，如图所示。这种理想的变压隔离器的特征如下：1) 从输入到输出能够通过所有的信号频率，即从理想的直流到交流都能变换；2) 变换时刻不考虑能量损耗；3) 变换中能提供任何选定的电压和电流变化；4) 能使输入和输出之间完全隔离。显然，像上述这种完美的变压器，实际上是不存在的。然而，许多和这种理想变压器特性近似
21、的电路确实存在的。最常见的用在开关变换器中的变压隔离器如图2-6(a)所示。电路由高频变压器和开关组成，导通周期几乎可以是整个工作周期，与变比由匝比决定。由于磁通有单方向变化的特点，此电路称为单端变压隔离电路。当两个单端变压隔离电路并联时构成如图2-6（b）所示电路，此时铁心的磁通有双向变化，称为双端变压隔离电路。图2-6 单端变压隔离器和并联的变压隔离器在图2-6所示的并联的变压隔离器中，当原边的两个开关（和）交替导通50%间隔时间（即占空比比不调整）时，直流电压通过带中心抽头的副边绕组及二极管、就可以得到不同于的另一直流电压，变比由匝比决定。开关和交替导通，每次导通周期是整个开关周期的50
22、%。开关交替的作用是在的原边产生一个对称的交流电压，即通过控制开关和的动作速率使变压器成为通常的高频交流变压器。输出与输入电压关系为 （2.1）用原副边匝比提供了变压器所要求的电压增益，副边绕组二端的交流电压，经 、整流后得到由式（2.1）确定的直流电压。因此图2-6所示的电路完成了两级串联（直流到交流及交流到直流）的转换作用，从而实现了直流到直流的转换功能。在变压隔离器工作中，不导通的原边开关两端承受的电压是2，当原边的两个开关各自导通的时候，两个开关中的开关峰值电流是相等的，即等于输入平均电流。另外，原边开关接成图2-7所示的两种形式也得到广泛应用，它们分别称为半桥、全桥变压隔离变换器。在
23、图2.7（a）所示的半桥式电路中，开关和交替地导通，当开关导通时，关断，然后反之。任何一个断开的开关其两端的电压等与源电压，而流过任何一个导通开关的峰值电流是平均源电流的两倍（与图2.6所示电路同等输出功率相比）。因为断开的开关两端电压比图2.6所示的电路减小了,所以较广泛采用。但是，当电源电压较低时，通常采用图2.6所示的并联连接方法，因为任何一个导通的原边开关只流过源电流。值得指出，原边半桥式接法中，变压器的原边电压在理论上是输入电压的一半。因此，对于给定、时，绕组、只需要较少的匝数。图2.7(b) 所示的全桥式电路中,在变换过程中的第一个半周内,开关和同时闭合，然后在第二个半周期和也同时
24、闭上。任何一个断开的开关端电压均等于源电压；流过任何一个导通开关的峰值电流均等于平均源电流。因为全桥式变压隔离器开关承受最小的开关电压和最小的电流强度，所以这个方案常用在大功率变换器上（例如大于750W）。 图2-7半桥和全桥变压隔离器连接方式图2.6（a）所示的单端方案，有线路简单的突出优点，广泛应用在输出为低、中功率的变换器电路中。但它也有一些缺点，例如它的输入电流是脉动的，幅度由的占空比和的平均值决定。因此，常需用一种低通滤波输入装置来平滑这些电流脉动。由上述可知，变压隔离器（有的文献称为直流变压器）实际上是一个由开关和高频变压器电路组成的，它是组件不是单一的原件。开关的占空比固定不变，
25、电压增益靠高频变压器原副边的匝数比来确定。 实际上,变压隔离器并不单独使用，而是插入到各种基本变换器中，达到输入/输出隔离的效果。这时电压增益，不单靠开关占空比调节，也可以通过绕组变化调节，使晶体管占空比在更合理的范围工作（不大也不小）。插入到某合适的地方，串联的开关可以简化为一个，电感可能成了电流源的原件，使输入电流近似为方波，消除因变压器漏电感造成的过电压。甚至有时移动后的晶体管驱动有了其他特点，如抗干扰性强，容易调试等。 3半桥式DC-DC变换器的系统设计 3.1电路参数的计算与选取3.1.1主要概念及公式半桥式DC-DC变换器是在Buck变换器中插入半桥式变压隔离器派生而来的，所以它就
26、具有Buck基本变换器的本质特征。因此，下边我们对Buck基本电路的参数方程分析，这些对半桥式DC-DC变换器也是一样满足的。（1） 电感电流连续与不连续下面分析一下在Buck基本电路中，开关闭合和断开的情况与输出电压的关系。在图3.1中,设开关S，闭合时间为，开关S关断时间； 图3-1 Buck变换器电路，称为接通时间占空比，体现了开关接通时间占周期的百分值，称为断开时间的占空比，体现了开关断开时间占周期的百分值。根据假定（1）很明显，。在输入输出不变的前提下，当开关S在位时，波形如图3-2所示，电感电流平均值，电感电流线性上升增量为（a） （b） 图3-2 Buck变换器工作波形图 （3.
27、1） 式中 电流增量(A)； 输入电源电压(V)； 输出电压(V)； 电感(H)； 开关周期(s)； 开关接通时间占空比。当开关S在位时，如图3.2（a）时间段所示，电流增量为 （3.2）由于稳态时这两个电流变化量相等，即，所以又因为 整理得 （3.3）式（3.3）表明，输出电压随占空比而变化，由于，故，是电压增益，表示为M，在本电路中 （3.4） 如图所示，电压增益M由开关接通时占空比决定，即变换器有很好的控制特性。图3-3 Buck关系图当电感L较小，负载电阻较大时，或者较大时，将出现电感电流以下降到零，新的周期却尚未开始的情况；在新的周期，电感电流从零开始线性增加。这种工作方式称电感电流
28、不连续的模式，波形图如图3.2（b）所示。 图3-4 连续和不连续的状态下，Buck变换器电压增益M与占空比的函数关系（2）连续与不连续的临界条件在连续与不连续状态之间有个临界状态，由图3.2（a）（b）所示图形知 临界状态 （3.13）考虑式（3.2）和式（3.6）， 整理得 （3.14）式（3.14）为临界条件的表达式。该即定义为临界电感，可表示为 （3.15）式中 开关管关断时间（s）；开关工作频率（Hz），； 取 得（3）纹波电压流经电容的电流是，对电容充电产生的电压称为纹波电压，其波形如图3.5所示。当为的线性函数时 （3.16）把式（3.2）代入式（3.16）得 （3.17）系统误
29、差要求1%，纹波电压 式中为关断时间占空比 图3-5电容电压和电流波形由式（3.15）知，对于和为固定值时，降压变压器的电流连续与否是由确定的。当的欧姆值增大时，工作状态将从连续转化为不连续。另一方面，如果和是固定的，则电感器的时，其工作状态由连续转化为不连续。当增大时，即减小，则保持开关变换器在连续工作状态的降低。仔细地观察图3-2（a）和（b）的波形，可以推出Buck变换器的一些性质特点。是在内的平均值。时有时无；则是平直的。因此，变换器可以简单地看成是一个有低通滤波器的电压斩波器7。低通滤波器的作用就是滤去中随时间而变化的交流分量。所以低通滤波器的频率比开关频率要低得多。由于是的平均值，
30、而的峰值为直流电源电压，所以总是比小。注意，的波形在两种不同的工作状态下其形状是不同的。连续状态时，在期间，在期间，。的平均值是由决定的，而且在理想情况下，在这个线路模型中，与无关。然而，在不连续的状态中，在期间，有部分时间为零，部分时间。所持续的时间由决定，所以不连续，由和决定的。由于不连续时，中存在的台阶，所以，在和的值相同时，不连续状态中的较连续时的大。输入电流是脉动的，与降压变换器的连续与否状态无关。这个脉动电流，在实际应用中应受到限制，以免影响其他电器正常工作。通常，电源和变换器的输入端之间会加上一些输入滤波器，这种滤波器必须在开关变换器设计的早期阶段和建立模型过程就要预先进行考虑3
31、。否则，在开关变换器与输入滤波器联接时，可能会引起意外的自激振荡。和两个值决定的平均值。对没有功率损耗的理想Buck变换器中，电源变换效率为100%，因此有。因为是一个输出恒定电压常数,故可得 (3.18)式(3.18)说明与、两个值的乘积成反比例。瞬时值的上升部分与相同。当变化时，应使变化，以便使保持恒定制。的幅值是变化的，但其最大幅值在一定时则不变。在一定的输入功率下，如变换器工作在不连续状态模型时，是很大的。这意味着变换器的功率晶体管和续流二极管必须具有较高的峰值电压和电流。由于这个和其他重要的原因，在高功率应用中，变换器应避免不连续工作状态（即使电感较大和由此引起的成本提高）。在负载变
32、动较大的场合，也可使用变值扼流器，他的电感数值随着通过它本身的电流而变化19。当小电流通过时，电感值大，但随电流增大，电感值却逐渐变小。这一方法非常有用，但这一个“变值”电感将由开关变换器附加滤波器的截至频率变动，使设计问题复杂化，即往往使得闭环控制的稳定变得很困难。输出滤波器的截止频率定义式为 （3.19）当所选的能达到所需的输出滤波要求时，可以选的足够大，以便使开关变换器保持在连续的工作状态，但电容器本身没有完美的电气性能，所以其内部的等效串联电阻将消耗一些功率。另外等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压，欲要减小这些纹波电压，只能靠减小等效串联电阻的值和动态电流的值。选择电容的类型，经常
33、有纹波电流的大小决定。截止频率的高低，的大小，都将影响输出纹波电压。在实际设计过程中，选择电感和电容时，要综合考虑其重量、尺寸及成本等因素。从改善动态特性看，可考虑选择小电感，大电容值。（4）变压器设计 (3.20) 式中 -原边绕组电压(V) -原边绕组匝数(匝) -副边绕组匝数(匝) -其中一管导通的占空比 -工作周期(s),所以由电路的输入电压,输出电压,且电路工作在连续模式,故得 取原边线圈匝数3200匝 副边两个绕组各取100匝。图3-6半桥式DC-DC变换器的基本电路图（5）其它参数的选取在这个小功率变换器中，为了有利于控制性能，而又不引起太多损耗，在原边回路中串联一个电阻，取。3
34、.2 闭环的控制方法与实现3.2.1 PWM的调制方法 PWM控制技术，是利用逆变器装置中半导体开关的开通和关断，把直流电压转化变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波三个目的的技术。 本章利用的就是等脉宽PWM法，利用直线与三角波进行比较，下图就是我们所需要的开关触法脉冲， 图3-7 原边开关管的电压和触发脉冲波形3.2.2 PID控制器PID控制器是最早发展起来的控制策略之一。因为PID控制器所涉及的设计算法和控制结构都是很简单的，并且十分适用于工程应用背景，此外PID控制方案并不要求精确的控制对象的数学模型，且采用PID控制的控制效果一般是比较令人满意的，所以工业界实际应用
35、中PID控制器是应用最广泛的一种控制策略，且都是比较成功的。连续PID控制器是如图3.8所示的串联控制器的一种常用类型。在实际生活中，PID控制器计算出来的控制信号还应该经过一个驱动器后去控制受控对象，而驱动器一般可以近似为一个饱和非线性环节，这是PID控制系统结构如图3-1所示。在控制系统中可能存在各种各样的扰动信号。另外，在实际控制中，用于检测输出信号的仪器也难以避免得存在噪声扰动信号，可以理解成高频率噪声信号，定义成量测噪声。图3-8 PID类控制器的基本结构连续PID控制器的最一般形式为其中,和分别是对系统误差信号及其积分与微分量的加权，控制器通过这样的加权就可以计算出控制信号，驱动受
36、控对象模型。如果控制器设计得当，控制信号将能使误差按减小的方向变化，达到控制要求。 PID控制的结构简单，另外，这三个加权系数,和都有明显的物理意义：比例控制器直接影响应于当前的误差信号，一旦发生误差信号，则控制器应立即发生作用，以减少偏差。一般情况下，的值大则偏差将变小，且减小对控制中的负载扰动的敏感度，但也将对测量噪声更敏感。考虑根轨迹分析，无限制的增大闭环系统不稳定；积分控制器对以往的误差信号发生作用，引入积分控制能消除控制中的静态误差，但的值增大可能增加系统的超调量、导致系统振荡，而小则会使得系统响应趋于稳定值的速度减慢；微分控制器对误差的导数，亦即误差的变化率发生作用，又一定的预报功
37、能，能在误差有大的变化趋势时施加合适的控制。的值增大能加快系统的响应速度，减小调节时间，过大时会因系统噪声或受控对象的大时间延迟出现问题。3.2.3 PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被
38、广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。工程整定方法的具体步骤：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很
39、频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长；理想曲线两个波，前高后低4比1；一看二调多分析，调节质量不会低。3.2.4 闭环控制方法与实现为了将输出电压稳定控制在5V，我们对系统采用闭环控制。当输出电压波动时,通过调整开关管的导通占空比来调节输出电压。闭环控制系统的结构如图3.9所示，由给定环节、比较环节、校正环节、放大环节、执行机构、被控对象和检测装置组成。给定环节定义为输出电压5V；检测环节将实际输出的电压检测出来；比较环节将要求的输出电压5V与实际输出
40、电压作比较求取偏差；校正环节将根据偏差的极性、大小调整开关管的通断时间；放大环节将校正环节的输出调整为适当的比例。图3-9 控制系统结构图设计闭环控制回路如图3.10所示，控制回路由PID控制器，限幅元件，比例环节组成。将输出电压取为反馈，极性取负；要求的稳态输出电压5V作为给定，极性取正。将输出电压与给定电压作比较，经过PID调节、限幅后，与给定电压5V相加，再经过比例缩小，作为PWM调制中的比较电压。其中，PID控制器起到放大偏差、消除误差的作用，为了避免积分环节将偏差无限积分、放大，可能烧坏元件，所以必须引入限幅环节。将调节过的偏差信号与给定电压相减作为比较电压。比例环节参数的设定：当系
41、统输出电压等于5V时，偏差信号为零，经限幅环节后依然为零，再与要求的输出值5V相加，经过比较器后，此时占空比应恰好为0.8，所以比例环节的参数应选为0.04。图3-10 PID控制回路4 Matlab/Simulink仿真4.1 MATLAB /SIMULINK 美国Mathwork公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是matlab最早的雏形。开从matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中得到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持。Mat
42、lab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。科研工作者通常可以通过matlab来学习某个领域的科学知识，这就是matlab真正在全世界推广开来的原因。另外，,matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了matlab的应用潜力。 SIMULINK是The Works公司于1990年推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。主要用于动态系统的仿真.整个SIMULINK模块库是
43、由各个模块组构成。SIMULINK模块库中提供了建立系统模型所需的大部分模块,进入MATLAB环境后,只需键入SIMULINK命令就可打开该模块库 ,用户可以根据自己的系统选择所需的模块 ,进入相应的模块组找到该模块,将其用鼠标拖到自己的系统模型中,然后用鼠标划线连起来 ,就构成了系统的SIMULINK描述。系统的模型建好后 ,用户可以根据系统的不同需要 ,设置或更改模块的参数 ,然后打开仿真菜单(Simulation)，设置仿真参数，起动仿真过程。仿真过程中，用户以通过输出示波器 (Scope)观察各个所需观察点的波形，或是通过plot命令在方针结束后绘图。4.2 半桥DC-DC变换器系统仿
44、真模型的建立仿真系统要求：设计一个半桥式DC-DC变换器，要求将400V直流电压降压至5V，负载为5，输出功率为5W,开关频率为10KHz。稳态误差在1以内，快速性较好。 图4-1 系统仿真模型图4.1是对半桥DC-DC变换器系统的模型的搭建。为了避免当两个开关管同时导通时造成的直流回路短路,故控制每个开关管占空比为40%，根据变压器计算，线圈匝数为，满足使半桥DC/DC变换器将400V的直流输入变压至要求的5V，并且动态性能和稳态指标均符合要求。4.3.1 开关管控制脉冲仿真模块的建立 图4-2 控制回路载波三角波的生成使用信号发生器输出sawtooth的三角波。幅值为2 频率为20KHZ
45、图4-3 三角波发生器产生的三角波 取绝对值，负变正，然后向下平移一个单位图4-4所需求的三角波得出我们所需要的三角波。然后是控制过程 图4-5 开关管脉冲信号控制模块当开关管满足40%占空比时输出电压为5V,要求反馈回路形成的直线与三角波比较时，形成的PWM脉宽调制信号的脉宽长度相当于整个的80% 。反馈电压与给定5V电压比较后，经过PID环节和限幅环节，再与给定5V进行比较,与0.04 相乘后得到 图4-6 反馈得到的比较波图4-7 给定三角波取绝对值的图形然后二者比较,三角波大于直线时,输出为1,三角波小于直线时输出0 ,得到 图4-8 PWM控制脉冲给定三角波直接与0比较 大于0输出1小于0
