BOOST變換器控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11034BOOST變換器控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析案例 1250521BOOST變換器控制介紹 1105631.1峰值電流控制模式 1217511.2平均電流控制設(shè)計(jì) 2156921.3兩種控制電流模式的比較 3118861.4控制器基本概念 3223631.5PID動(dòng)態(tài)指標(biāo) 4142191.6PID控制器的參數(shù)整定 5220882仿真驗(yàn)證 529682.1MATLAB介紹 522382.2PWM的定義、發(fā)展過程 612742.3BOOST變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo) 752292.4仿真分析 71BOOST變換器控制介紹比較常見的控制方式有：電壓模式和電流模式，如果僅僅采用電壓環(huán)進(jìn)行控制，就難以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，例如外界收到干擾的時(shí)候，就無法做出快速的響應(yīng)，為了達(dá)到更好的控制效果，我們常常采用電壓環(huán)和電流環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到更好的控制效果，這種控制模式就叫做電流控制模式。這種控制模式又可以分為兩個(gè)類型，下面進(jìn)行對(duì)比分析。1.1峰值電流控制模式該控制模式采取了電壓環(huán)和電流環(huán)。這兩個(gè)環(huán)路各有自己的功能，其中電壓環(huán)是為調(diào)節(jié)輸出電壓，保證電壓的不變，電流環(huán)是作為內(nèi)環(huán)去實(shí)現(xiàn)電感電流的控制，把電感電流控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)。輸出電壓采樣電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，得到信號(hào)才可以進(jìn)行控制，采樣信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較，判斷控制的效果，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體調(diào)節(jié)信號(hào)，這個(gè)過程就是電壓環(huán)路控制，輸出信號(hào)與電感電流進(jìn)行比較，判斷電流調(diào)節(jié)效果，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。該控制信號(hào)通過峰值電流調(diào)節(jié)器得到PWM信號(hào)，電壓環(huán)通過補(bǔ)償網(wǎng)路保證輸出電壓得到穩(wěn)定值，圖4-1所示給出了其結(jié)構(gòu)圖。圖4-1峰值電流控制該變換器也有不足的地方，占空比在大于50%時(shí)，電流內(nèi)環(huán)就會(huì)具有一定的不穩(wěn)定性，需要進(jìn)行斜率補(bǔ)償，才可以達(dá)到更好的要求，無疑增了控制難度。1.2平均電流控制設(shè)計(jì)電流控制模式常常都是在開關(guān)電源中去實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際感知以及控制峰值電感電流。同時(shí)這也導(dǎo)致了很多比較嚴(yán)重的問題，其中有比較差的抗噪性、峰值平均電流誤差以及需要斜率補(bǔ)償，這也是固有的低電流回路增益沒有辦法改正的。而平均電流模式控制很好的解決了這些問題，同時(shí)也可以更加有效地用作于控制電感器電流之外的一些電流，允許更加廣泛的拓?fù)鋺?yīng)用結(jié)構(gòu)。平均電流通過控制電感電流平均值達(dá)到控制的效果，而且不需要進(jìn)行斜波補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)，控制精確可以做的比較的好，如圖4-2所示給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，輸出電壓采樣電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，得到信號(hào)才可以進(jìn)行控制，采樣信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較，判斷控制的效果，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體調(diào)節(jié)信號(hào)，這個(gè)過程就是電壓環(huán)路控制，輸出信號(hào)與電感電流進(jìn)行比較，判斷電流調(diào)節(jié)效果，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)?？刂菩盘?hào)與三角波比較后得到PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。圖4-2平均電流控制1.3兩種控制電流模式的比較平均電流控制模式相對(duì)峰值電流控制模式有點(diǎn)可以總結(jié)如下：a.增益相對(duì)做得比較的高，控制精度也會(huì)提高很多；b.穩(wěn)定性更高，控制系統(tǒng)比較的簡(jiǎn)單；c.不需要斜坡補(bǔ)償，便于控制。同時(shí)峰值電流控制噪聲影響比較大。所以本次設(shè)計(jì)采用的是平均電流控制模式。1.4控制器基本概念PID控制器包括：比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)（I）、微分環(huán)節(jié)（D）三個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)我們對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)際的工業(yè)系統(tǒng)等中的參數(shù)無法完全掌握時(shí)，或者參數(shù)無法測(cè)量時(shí)，或者是電路的參數(shù)知道，但是建模困難的情況下，又要達(dá)到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，那么在這幾種情況下，采用PID控制器來調(diào)節(jié)電路，也是最為方便快捷，最理想的一種方法。也就是說，PID控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未知系統(tǒng)的控制。（1）比例控制環(huán)節(jié)：比例控制是PID控制器調(diào)節(jié)起來最為簡(jiǎn)單的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)的主要原理就是對(duì)輸入和輸出的誤差按照一定倍數(shù)進(jìn)行放大或者縮小，使得系統(tǒng)控制誤差減小，但是如果一個(gè)控制器中僅僅只有比例環(huán)節(jié)的話，是很難達(dá)到精準(zhǔn)控制的效果，誤差肯定會(huì)存在的。（2）積分控制環(huán)節(jié)上面的比例控制環(huán)節(jié)中，我們提到當(dāng)系統(tǒng)僅僅只有比例環(huán)節(jié)時(shí)會(huì)不可避免地存在穩(wěn)態(tài)誤差，這個(gè)時(shí)候積分環(huán)節(jié)就顯得比較的重要，積分環(huán)節(jié)的作用就是用來降低這個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制環(huán)節(jié)，主要是利用一個(gè)運(yùn)放和電容電阻來構(gòu)成的，它實(shí)現(xiàn)的是輸入和輸出之間成正比積分的關(guān)系。針對(duì)一個(gè)存在穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，積分控制環(huán)節(jié)可以有效地降低誤差，達(dá)到穩(wěn)定控制的效果。但是，積分環(huán)節(jié)過大，即積分時(shí)間較長(zhǎng)的話，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變慢，這時(shí)我們需要適當(dāng)?shù)亟档头e分時(shí)間，加快系統(tǒng)的響應(yīng)。（3）微分控制環(huán)節(jié)微分控制和積分控制功能是比較類似的，前面的分析可以發(fā)現(xiàn)：積分控制電容和電阻跨接輸入和輸出端，達(dá)到調(diào)節(jié)的效果，而微分控制就有點(diǎn)不同，他是把電容串接輸入端，以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間成正比微分的關(guān)系。PID控制實(shí)現(xiàn)的是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中最典型的閉環(huán)控制，然后將誤差量送進(jìn)PID控制器中進(jìn)行計(jì)算得出控制信號(hào)來控制被控對(duì)象,控制PWM輸出信號(hào)，使得輸出電壓在預(yù)定的值。1.5PID動(dòng)態(tài)指標(biāo)PID控制涉及到的指標(biāo)主要可以分為：動(dòng)態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)這兩種類型。動(dòng)態(tài)指標(biāo)為主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)跟蹤以及實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的干擾的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制信號(hào)的輸出量C(t)，輸入量R(t)作為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中輸出輸入信號(hào)。動(dòng)態(tài)指標(biāo)比較常見的輸出達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間tr、超調(diào)量σ也就是超過目標(biāo)值的大小量及調(diào)整到目標(biāo)值的時(shí)間ts。具體定義可以簡(jiǎn)單的描述如下：輸出變量C(t)從C(0)時(shí)刻開始到系統(tǒng)首次達(dá)到目標(biāo)值所需要的時(shí)間為系統(tǒng)的上升時(shí)間tr。超調(diào)量σ是控制系達(dá)到tr后輸出電壓信號(hào)為達(dá)到穩(wěn)定繼續(xù)進(jìn)行增加，輸出電壓沖到最大值CM，超調(diào)量σ可以用如下公式進(jìn)行表達(dá)，即：tp為峰值時(shí)間。超調(diào)量越大系統(tǒng)越不穩(wěn)定，超調(diào)量越大也就意味著控制系統(tǒng)穩(wěn)定性比較差，反之穩(wěn)定性良好。調(diào)節(jié)時(shí)間ts為系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作，輸出目標(biāo)值在一般控制在±2%左右，誤差做得越小代表其可以得到的穩(wěn)定性越好。當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的時(shí)候突然加入擾動(dòng)量，輸出電壓信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，把這個(gè)動(dòng)態(tài)變化量用△CM表示，控制系統(tǒng)再次進(jìn)入誤差范圍內(nèi)的時(shí)間被稱恢復(fù)時(shí)間tv，恢復(fù)時(shí)間tv及動(dòng)態(tài)降落△CM作為作為考核標(biāo)準(zhǔn)。1.6PID控制器的參數(shù)整定盡管PID的調(diào)節(jié)可以不用對(duì)控制對(duì)象了解太多，但是這種控制器的調(diào)節(jié)量卻是相當(dāng)繁重的，主要原因是這里我們需要同時(shí)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不容易掌握住各個(gè)參數(shù)的變化狀況。所以綜合來看，對(duì)PID控制器中的參會(huì)蘇進(jìn)行整定才是這個(gè)控制系統(tǒng)中的重要問題。通常情況下，首先了解控制對(duì)象，看具體要求，即一調(diào)二看多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量才會(huì)有保證。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，整定PID參數(shù)的方法有很多，但是經(jīng)過歸類，我們可以發(fā)現(xiàn)，這些方法歸類后可以分為兩大類：計(jì)算整定法：這種方法需要在調(diào)整前準(zhǔn)確掌握被控系統(tǒng)的參數(shù)，然后對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到系統(tǒng)輸入和輸出之間的傳遞函數(shù)，結(jié)合自動(dòng)控制理論知識(shí)用各種補(bǔ)償繼續(xù)控制調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定控制的效果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，不僅僅可以做到快速，還可以做到比較精確，實(shí)際的調(diào)節(jié)中進(jìn)行微調(diào)就可以達(dá)到要求；缺點(diǎn)是建模過程比較的復(fù)雜，這無形中就加大了工作量。（2）工程整定法。這種方法在很大程度上取決于工程師本人的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可以很快地調(diào)節(jié)出較為合適的參數(shù)，方法較為簡(jiǎn)單實(shí)用，經(jīng)驗(yàn)整定法最簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量被控系統(tǒng)的參數(shù)比較簡(jiǎn)單，也不用對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，沒有任何計(jì)算量；缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)需要有一定的經(jīng)驗(yàn)，整定的多個(gè)參數(shù)中要進(jìn)行不斷嘗試，不太容易得到最佳參數(shù)。PID控制器參數(shù)整定是非常重要的環(huán)節(jié)，在控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的參數(shù)主要有：比例因子Kp，積分系數(shù)Ti和微分系數(shù)Td，主要包括這三個(gè)參數(shù)，具體的調(diào)節(jié)思路可以簡(jiǎn)單的描述如下：。2仿真驗(yàn)證2.1MATLAB介紹MATLAB是美國(guó)MATHWORK公司在上世紀(jì)90年代開發(fā)的一款工程計(jì)算語言，該軟件以矩陣計(jì)算作為整個(gè)控制系統(tǒng)算法的核心，同時(shí)結(jié)合了可視化、模塊化、學(xué)科化可以滿足不同學(xué)科的學(xué)習(xí)使用。在不同的學(xué)術(shù)界，MATLAB都得到了廣泛的應(yīng)用，具有計(jì)算準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠的的特點(diǎn)，目前還沒有款軟件可以與之相媲美。MATLAB同時(shí)結(jié)合了數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、編程控制、圖像化處理等強(qiáng)大的功能，滿足初學(xué)者的基本科研需求，不需要復(fù)雜的編程控制。Simulink是在MATLAB的模型搭建平臺(tái)，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真搭建，完成模型的分析和仿真，該模型結(jié)合了各種類型的功率模型、控制系統(tǒng)模塊、可視化模塊、檢測(cè)模塊具有較好的可視化功能，在實(shí)際應(yīng)用過程中可以直接采用鼠標(biāo)進(jìn)行模型搭建，進(jìn)行連線操作，就可以進(jìn)行仿真運(yùn)行，然后就可以模擬相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，直觀的進(jìn)行模型的穩(wěn)定性，功能方面進(jìn)行驗(yàn)證，把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。Simulink是目前可以完成各種仿真驗(yàn)證的需求，一些初學(xué)者就可以得心應(yīng)手，把復(fù)雜的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以圖象化的形式進(jìn)行展示出來，避免復(fù)雜的運(yùn)算，得到直觀的直觀的數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)的分析，大大縮小產(chǎn)品研發(fā)周期。2.2PWM的定義、發(fā)展過程PWM脈寬調(diào)制技術(shù)是一種調(diào)制波，目前在電力電子控制技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用非常的普遍，在實(shí)際控制電路中一般采用三角波信號(hào)進(jìn)行比較得到做需要的控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)大于三角波的時(shí)候，輸出脈沖幅值相同，寬度正比于控制信號(hào)的矩形脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)器件的通/斷控制，進(jìn)而控制輸出電壓波形。當(dāng)控制信號(hào)為正弦波時(shí)，輸出的PWM信號(hào)按正弦規(guī)律進(jìn)行變化，這種控制器技術(shù)叫做正弦脈寬調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)稱SPWM技術(shù)oPWM技術(shù)經(jīng)歷了經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過程，1963年，F(xiàn).G.Turnbull第一次提出相關(guān)概念，1964年，A.Schnoung等人結(jié)合通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變器控制技術(shù)中，這就提出了最早的SPWM控制技術(shù);后面的幾年里S.R.Bowes對(duì)SPWM技術(shù)的應(yīng)用做出了較大的貢獻(xiàn)，使SPWM技術(shù)在行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用;1983年，J.Holtz等人提出了一種新型控制技術(shù)，就是我們前面提到的SVPWM技術(shù)，該控制技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷是考慮的異步發(fā)電機(jī)的控制方面提出來的，該方式是結(jié)合了電動(dòng)機(jī)磁鏈圓形軌跡的模型來進(jìn)行設(shè)計(jì)的；20世紀(jì)80年代，G.S.Buja等人提出了電流諧波小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的PWM方法，PWM技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用；20世紀(jì)90年代A.B.Plunkett等人發(fā)表以一種采用電流滯環(huán)路進(jìn)行控制的PWM技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)PWM技術(shù)又得到了不斷發(fā)展與完善。2.3BOOST變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo)為了驗(yàn)證閉環(huán)控制的工作原理，采用仿真進(jìn)行驗(yàn)證，該控制電路的參數(shù)如下：輸入電壓：Vin=50VDC；輸出電壓：Von=80V；開關(guān)頻率：fs=50KHz；輸出電流：Io=2A；輸出濾波電感：Lf=1mH；輸出濾波電容：Cf=630uF；2.4仿真分析Boost變換器的仿真圖如4-1所示，設(shè)定輸入電壓為50V，輸出電壓為80V。電路的工作過程可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行如下總結(jié)：首先電壓采樣電路，采樣比例為0.1，輸出電壓的0.1倍就是我猜到的信號(hào)，電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓值為8V，采集到的信號(hào)進(jìn)行比較，然后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到電壓環(huán)輸出控制信號(hào)，輸出信號(hào)作為電流環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，參與電流環(huán)的控制，與電感電流進(jìn)行比較，通過PID控制器進(jìn)行最終控制信號(hào)，控制信號(hào)與三角波得到PWM信號(hào)，對(duì)電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的調(diào)節(jié)，