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(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制策略，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制移相全橋的PI補(bǔ)償，解決了移相全橋PI參數(shù)設(shè)計(jì)困難的問題，并用Simulink仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(chǎng)合應(yīng)用的比較多，是技術(shù)比較成熟的一種開關(guān)拓?fù)洹Ｒ葡嗳珮駾C/DC變換器是非線性時(shí)變電路。在分析時(shí)，用經(jīng)典線性電路理論和控制理論對(duì)其進(jìn)行小信號(hào)建模，建立開關(guān)的狀態(tài)空間平均模型，對(duì)其配置零極點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shí)候是一個(gè)欠阻尼二階系統(tǒng)，帶載時(shí)，系統(tǒng)的零極點(diǎn)又會(huì)發(fā)生變化。所以，PI的選擇要使系統(tǒng)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持良好的動(dòng)靜態(tài)特性。PI參數(shù)的計(jì)算也有難度。用單環(huán)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，可使控制器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，但是這種方法只有當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)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(dāng)然，控制器比單環(huán)控制時(shí)更難設(shè)計(jì)。

用MATLAB中的SISOTOOL模塊，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行校正，減少了設(shè)計(jì)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(jì)帶來更高的效率和更好的質(zhì)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電壓電流雙閉環(huán)控制過程中大量的計(jì)算，最終得到穩(wěn)定的模型和好的動(dòng)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(duì)電感電流的傳遞函數(shù)[1]是

（1）

其中R_d=4n²L_lkf_s。
經(jīng)過計(jì)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(jì)算得，n=5，Lf=150uh，Cf=330uh， Llk=80uf。

3、用SISO對(duì)移相全橋控制器進(jìn)行PI參數(shù)配置

對(duì)一般的控制系統(tǒng)來講，控制系統(tǒng)對(duì)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(dòng)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(rèn)為=45°表示系統(tǒng)具有足夠的相位裕度，相位裕度越大，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的超調(diào)量就會(huì)越小；
(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(jì)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(gè)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(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。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(biāo)可以直接對(duì)屏幕上的對(duì)象進(jìn)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(jì)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(diǎn)，從而設(shè)計(jì)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(bǔ)償控制器。

3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)

以輸出濾波電感電流作為電流反饋，電流環(huán)功率級(jí)的傳遞函數(shù)計(jì)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(dòng)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(hù)。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)