MATLAB中的SISOTOOL在數(shù)字式移相全橋中的應(yīng)用

摘要：開關(guān)電源技術(shù)的數(shù)字控制可實現(xiàn)先進的控制策略，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮小體積，提高系統(tǒng)性能。本文用MATLAB中的SISOTOOL實現(xiàn)了數(shù)字控制移相全橋的PI補償，解決了移相全橋PI參數(shù)設(shè)計困難的問題，并用Simulink仿真驗證了設(shè)計的結(jié)果。 敘詞：SISOTOOL 移相全橋 數(shù)字控制 Abstract：The digital control of switching power supply technology can achieve advanced control strategy, simplify the system structure, reduce the volume and improve the performance . This paper realize the PI compensation of digital control Phase Shift Full Bridge, resolves its difficulty for designing PI paramenters using SISOTOOL of MATLAB and the simulation proves the result designed. Keyword：SISOTOOLPhase-Shifted-Full-Bridge digital control
1、引言

移相全橋在大功率場合應(yīng)用的比較多，是技術(shù)比較成熟的一種開關(guān)拓撲。移相全橋DC/DC變換器是非線性時變電路。在分析時，用經(jīng)典線性電路理論和控制理論對其進行小信號建模，建立開關(guān)的狀態(tài)空間平均模型，對其配置零極點，設(shè)計控制器。而在數(shù)字控制里，最重要的就是PI調(diào)節(jié)。

PI參數(shù)的選擇是很有講究的。移相全橋空載的時候是一個欠阻尼二階系統(tǒng)，帶載時，系統(tǒng)的零極點又會發(fā)生變化。所以，PI的選擇要使系統(tǒng)在整個負載范圍內(nèi)保持良好的動靜態(tài)特性。PI參數(shù)的計算也有難度。用單環(huán)控制進行調(diào)節(jié)，可使控制器的設(shè)計簡化，但是這種方法只有當負載擾動的影響在輸出端表現(xiàn)之后，控制器才有反應(yīng)，控制速度不快。因此，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，當然，控制器比單環(huán)控制時更難設(shè)計。

用MATLAB中的SISOTOOL模塊，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中進行校正，減少了設(shè)計的復(fù)雜性和重復(fù)性，有效地提高了校正系統(tǒng)的控制精度，給控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來更高的效率和更好的質(zhì)量，簡化了設(shè)計電壓電流雙閉環(huán)控制過程中大量的計算，最終得到穩(wěn)定的模型和好的動態(tài)特性。

2、移相全橋的模型

移相全橋ZVS變換器和普通的BUCK變換器有一定的相似性，由于移相全橋有漏感，所以又有著顯著的不同。占空比對電感電流的傳遞函數(shù)[1]是

（1）

其中R_d=4n²L_lkf_s。
經(jīng)過計算，選取Uin=400V，U0=48V，開關(guān)率頻fs=100kHz，輸出功率P=400W，RL=5.76Ω。根據(jù)計算得，n=5，Lf=150uh，Cf=330uh， Llk=80uf。

3、用SISO對移相全橋控制器進行PI參數(shù)配置

對一般的控制系統(tǒng)來講，控制系統(tǒng)對開環(huán)頻率特性的要求如下：

(1)為了獲得較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，開環(huán)系統(tǒng)中頻段應(yīng)有足夠的頻帶寬度，以-20dB/dec的斜率穿越0分貝線；
(2)為了獲得較好的動態(tài)特性，截止頻率應(yīng)較高；
(3)應(yīng)該留有足夠的相位裕量，工程領(lǐng)域普遍認為=45°表示系統(tǒng)具有足夠的相位裕度，相位裕度越大，對應(yīng)系統(tǒng)的超調(diào)量就會越??；
(4)為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，低頻段應(yīng)該有高的增益；
(5)為了提高系統(tǒng)的抗高頻干擾能力，高頻段應(yīng)該有快的衰減。

本文采用全數(shù)字控制環(huán)路設(shè)計方法，在連續(xù)域中，通過SISOTOOL來配置PI控制器，離散化后再由DSP控制，移相全橋系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 移相全橋的控制框圖

SISOTOOL是MATLAB中的一個圖形用戶界面，通過利用根軌跡圖或伯德圖來調(diào)整單輸入單輸出反饋控制系統(tǒng)，進行控制器的設(shè)計。它不需要以命令行的方式輸入大量的指令，只需導(dǎo)入各環(huán)節(jié)的模型，用鼠標可以直接對屏幕上的對象進行操作。這樣，與SISOTOOL連接的可視分析工具LTIviewer馬上顯示出設(shè)計結(jié)果，用戶可結(jié)合閉環(huán)響應(yīng)來調(diào)整增益和零極點，從而設(shè)計出滿意的控制器。本文主要通過頻域調(diào)節(jié)的方法，來得到合理的補償控制器。

3.1 電流環(huán)的設(shè)計

以輸出濾波電感電流作為電流反饋，電流環(huán)功率級的傳遞函數(shù)計算后為

將輸出濾波電感的電流作為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，不僅可以大大提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，而且還可以提供快速的過流保護。帶電感電流內(nèi)環(huán)的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電流控制環(huán)