基于双闭环控制的稳流型开关电源的建模与仿真

基于双闭环控制的稳流型开关电源的建模与仿真

(1. 华南理工大学 电力学院，广州 510640；2.东莞市供电局 变电二部，东莞 523120)

摘要：在建立全桥DC/DC变换器小信号模型的基础上研究双闭环控制系统，应用自动控制理论以及Matlab仿真工具对控制参数进行整定，得到了稳流型开关电源的数学模型。最后采用Simetrix仿真软件对系统进行仿真，结果表明根据小信号模型设计的开关稳流电源是可行的以及双闭环控制技术改善了系统的动态性能和稳定性。 关键词：双闭环控制；稳流电源；数学模型；Simetrix仿真 中图分类号：TP86 文献标识码:A

Modeling and Simulation of Stabilized Current Switching Power

Supply Based on Double Closed-loop Control

ZHANG Dong-mei1, YANG Ping1, ZHOU Guo-zhong1, Feng Hua-ran2

（1. Dapartment of Electric Power, South China University

of Technology, Guangzhou 510640, China;2. The Second Substation, Power Company in

the City of Dongguan, Dongguan 523120, China)

Absract：Based on the small signal model of full-bridge DC/DC converter, the double closed-loop control system is developed。With automatic control theory and by Matlab software,the control parameters are set to derive the mathematic model of stabilized current Switching Power supply. In the end, the system is simulated with Simetrix. Rusults show not only that the design is feasible but also that the double closed- loop control technique enhannces the dynamic behavior and stability of the system. keywords：double closed-loop control；stabilized current supply；mathematica model；

Simetrix simulation

1、引言

在许多工业领域，根据应用需要要求电源具有稳流特性，传统的稳流型开关电源仅利用单环反馈控制方式，很难大幅度提高开关电源的性能指标[1]。本文引入双环控制方式，在建立全桥DC/DC变换器小信号模型的基础上研究双闭环控制系统，为系统设计良好的补偿网络，并采用Simetrix仿真软件对所设计的系统进行了仿真分析。仿真结果表明根据小信号模型设计的开关稳流电源是可行的以及双闭环控制技术改善了系统的动态性能和稳定性。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（60534040）作者简介：张冬梅（1983.12-），女，广东湛江人，硕士生，主要研究方向为电力电子与电力传动。Email：dmzhang_8312@163.com

参数

稳流型开关电源的系统结构如图1所示。

图1 电源系统结构图

Fig.1 Framework of power supply system 主电路参数：变压器变比n=1/2.5，输出滤波电感L=90uH，输出滤波电容C=4000uF,负载电阻R=2.2?。技术参数:输入电源为风力发电机三相输出400V、40Hz～60Hz，开关

2、稳流型开关电源的结构原理及技术

工作频率20KHz,PWM锯齿波峰值VM=4.7V,输出电压范围Vo=100V～140V，输出电流平均值Io=50A。

3、全桥DC/DC变换器的主电路开环等

效小信号数学模型

[2,3,4]

首先假设全桥DC/DC变换器在工作过程中满足以下条件：交流小信号的频率远远小于开关的工作频率、变换器的转折频率远远小于开关的工作频率、各变量的交流分量的幅值远远小于相应的直流分量，变压器的漏感可忽略。根据全桥DC/DC变换器的工作原理，其小信号模型可等效为带隔离变压器的BUCK电路的小信号模型。通过对连续导电模式（CCM）下的BUCK电路进行平均线性分析，得到如图2所示的全桥DC/DC变换器的标准型小信号等效电路模型。

图2 全桥DC/DC变换器标准 型小信号等效电路模型

Fig.2 Standard small signal equivalent

circuit model of full-bridge

DC/DC converter

图中Vg?v?g(s)为输入电压稳态分量与扰动量的叠加，Ig?i?g(s)为输入电流稳态分量与扰动量的叠加，IL?i?L(s)为电感电流稳态分量与扰动量的叠加，Vc?v?c(s)为电容电压稳态分量与扰动量的叠加，

Vo?v?o(s)输出电压稳态分量与扰动量的叠加，D和d?(s)分别为占空比的稳态分量和扰动量。

根据本文的设计参数，图2中的各个参数分别为M(D)=nD，e(s)=VgD，j(s)=

n2DVgR，由标准型电路可以建立全桥

DC/DC变换器CCM的小信号数学模型，得到主电路开环传递函数：

电感电流扰动量与输入电压扰动量的传递

函数G(s)?i?L(s)igv??nD(Cs?1R)g(s)d?(s)?0LCs2?LsR?1（1）

电感电流扰动量与占空比扰动量的传递函数Gi?L(s))ig(s)?d?(s)?nVg(Cs?1R（2）

?vLCs2 ?LsR?1g(s)?0输出电压扰动量与输入电压扰动量的传递函数GnDvg(s)?v?o(s)v?g(s)??(LCs2?LsR?1（3）

ds)?0输出电压扰动量与占空比扰动量的传递函

数G(s)?v?o(s)nVgvdd?(s)?2v??1（4）

g(s)?0LCs?LsR

4、双环控制系统设计

双闭环的主要思想是：电流反馈环作为外环，电压反馈环作为内环，对输出电流采样转化为电压形式，送第一级运算放大器的反相端与正相端的电流基准比较，输出的误差送第二级运算放大器正相端作为电压基准，和反相端的输出电压采样信号比较，最后的输出送比较器与三角波进行比较，得到占空比变化的方波从而控制全桥变换器。控制原理框图3所示：

V+d?(s)u?o(s)ref(s)+GG-i(s)GG-u(s)MGvd(s)r(s)?io(s)Hu(s)Hi(s)图3 双闭环控制原理框图

Fig.3 Theory framework of double closed

loop control 图中GM(s)为脉冲调制（PWM）环节的

传递函数, GM(s)=1VM，VM值已在前面技术参数中给出。Gvd(s)为输出电压扰动量与占空比扰动量的传递函数，已由（4）式给出。Gr(s)为负载网络函数，为线性负载，Gr(s)?1R。Gi(s)、Gu(s)分别为电流补偿网络、电压补偿网络的传递函数。

Hi(s)、Hu(s)分别为电流取样反馈环节、电

压取样反馈环节。输出电流参考值以电压形式给出，设置为Vref=2.5V，Hi(s)=25/500,

Hu(s)=2.5/110。

4.1电压内环补偿网络设计

[4,5]

由图3可以得出电压内环在未校正前的开环传递函数为

Ap0(s)?GM(s)Gvd(s)Hu(s) （5）

其中Gvd(s)公式（4）可推出

nVGvd(s)?g

1?s(Qwp0)?(swp0)2 （6）其中双重极点角频率wp0?1LC,品质因素Q?RCL。又由于输出滤波电容C存在串联等效电阻（ESR），会在Gvd(s)上附加一个高频零点，所以对（6）式修正后得到未校正前的开环传递函数为

A?H(s)nVg(1?swz0)p0(s)u （7） V*M1?s(Qwp0)?(swp0)2其中ESR零点角频率wz0?1(RcC)，在这里取w4z0?1.0?10(rad/s)[1]。具体数值代入（7）式，可得

A.2(1?s1.0?104)p0(s)?1（8）

1?s(2.04?104)?(s1.89?103)2该传递函数穿越频率fc=450Hz，相位裕量只有?m?22.2o,超调量为73.9%，调节时间为12.5ms，既不满足响应的快速性要求，

也不能满足系统的稳定性需要[6]

。

本系统的电压反馈环采用双极点-双零点补偿网络。经过Matlab整定【7】

，得到

具体的传递函数为的值为

G26068(1?s1.2?103)(1?s2.5?104)u(s)?s(1?s1.0?104)(1?s7.3?104) （9） 补偿后的电压内环开环幅频特性如图4所

示，穿越频率为fc=5.48KHz，相位裕量

?m?59.2o，经过补偿的电压内环超调量

减小到13.1%，调节时间也缩短到0.3ms，使得系统既能快速响应，也能稳定工作[6]。

100Bode Diagram)Bd50( edu0tingaM-50-1000)ge-45d( e-90sahP-135-180101102103104105106Frequency (Hz)

图4 补偿后的电压内环开环幅频特性 Fig.4 Open loop Bode diagram of the

compensated voltage loop 4.2电流环补偿网络设计

[4]

由图3可以得出双闭环在未校正前的开

环传递函数为

T0(s)?Gr(s)Hi(s)GM(s)Gvd(s)(1?GM(s)Gvd(s)Hu(s)) （10）

将前面给出具体数值代入（10）式，利用Matlab工具得到未加补偿的双闭环开环幅频特性如图5所示，可以看出穿越频率

fc=450Hz，相位裕量?m?41.9o,超调量为

69.2%，调节时间为8.2ms。该系统同样存在快速性和稳定性无法得到满足的问题[6]

。

50Bode Diagram)Bd( 0deutnig-50Ma-10045)g0de(-45 -90haseP-135-180101102103104105Frequency (Hz)图5 未加补偿的双闭环开环幅频特性 Fig.5 Open loop Bode diagram of the double closed loop system without compensation

在前面的经过补偿的电压内环的基础上，电流外环采用单极点-单零点补偿网络。经过Matlab整定【7】，得到具体的传递函数为为

Gs)?15920(1?s2.0?104)i(（11） s(1?s1.5?105)补偿后的双闭环开环幅频特性如图6所示，可以看出穿越频率fc=3.65KHz，相位裕量?om?64.0,超调量为9.23%，调节时间0.366ms，实现了系统动态性能的优越性

[6]

。另外，该系统在高频段以-40dB/dec衰减，具有很强的抗干扰性能。

50Bode Diagram)B0d( ed-50utin-100gaM-150-2000)g-90ed( e-180sahP-270-360102103104105106Frequency (Hz)

图6 补偿后的双闭环开环幅频特性 Fig.6 Open loop Bode diagram of the compensated double closed loop system

5、Simetrix与双环控制系统仿真结果

采用Simetrix仿真软件对上述所设计的稳流源系统进行了仿真，模拟扰动为t=10ms时输入电压由510V上升到622V，t=20ms时负载R由2.2?突变为2.7?，t=30ms时负载R再由2.7?突变为2?，仿真结果如图7所示，图中由上而下三条曲线分别为输入电压Vin，输出电流Io，输出电压波形Vout。仿真结果表明，根据小型号模型设计的控制器在电源电压大扰动的情况下能够稳定工作，在负载突变时，系统会出现瞬时的不稳定现象。该稳流电源基本上能够满足设计指标。

V600 / n400iV2000A / t50uo30I10V 140/ tuo80V200510152025303540Time/mSecs5mSecs/div

图7 稳流型开关电源仿真波形 Fig.7 Simulation waveform of stabilized

current switching power supply

6、结论

在电源系统小信号模型的基础上建立双环控制系统，在选取内外环补偿网络时充分考虑到了影响系统动态性能的各种因素，同时注意了电源系统的高频抗干扰性，利用Matlab分析了补偿网络对系统性能的改善。最后采用Simetrix仿真软件对所设计的系统进行了仿真，仿真结果表明设计的正确定和可行性。

本文作者创新点：（1）本文将双闭环控制方式引入稳流电源控制系统中，使得系统性能得到很大改善；（2）本文采用专门针对电源开发的仿真软件Simetrix对所设计的电源系统进行仿真。

参考文献：

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[7]吴晓燕，张双选. MATLAB在自动控制中

的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

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附加信息

作者简介：张冬梅（1983.12-），女（汉族），广东湛江人，华南理工大学在读研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动；杨苹（1967.1-），女（汉族），广西钦州人，教授，博士，主要研究方向为电力电子电路的建模与控制，智能控制理论及其应用等；周国仲（1982.2-），男（汉族），湖南衡阳人，华南理工大学在读研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动；冯华然（1983.10-），男（汉族），广东清远人，东莞市供电局职工，本科，主要研究方向为电气工程及其自动化。

张冬梅 联系方式： 地址：广东广州五山华南理工大学东七306室 邮编：510640 手机：13560450572 固话：02038764414 Email：dmzhang_8312@163.com

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4zjf.html