MATLAB中的SISOTOOL在數字式移相全橋中的應用

摘要：開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的數字控制可實(shí)現先進(jìn)的控制策略，簡(jiǎn)化系統的結構，縮小體積，提高系統性能。本文用MATLAB中的SISOTOOL實(shí)現了數字控制移相全橋的PI補償，解決了移相全橋PI參數設計困難的問(wèn)題，并用Simulink仿真驗證了設計的結果。 敘詞：SISOTOOL 移相全橋 數字控制 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)合應用的比較多，是技術(shù)比較成熟的一種開(kāi)關(guān)拓撲。移相全橋DC/DC變換器是非線(xiàn)性時(shí)變電路。在分析時(shí)，用經(jīng)典線(xiàn)性電路理論和控制理論對其進(jìn)行小信號建模，建立開(kāi)關(guān)的狀態(tài)空間平均模型，對其配置零極點(diǎn)，設計控制器。而在數字控制里，最重要的就是PI調節。

PI參數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，帶載時(shí)，系統的零極點(diǎn)又會(huì )發(fā)生變化。所以，PI的選擇要使系統在整個(gè)負載范圍內保持良好的動(dòng)靜態(tài)特性。PI參數的計算也有難度。用單環(huán)控制進(jìn)行調節，可使控制器的設計簡(jiǎn)化，但是這種方法只有當負載擾動(dòng)的影響在輸出端表現之后，控制器才有反應，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(shí)更難設計。

用MATLAB中的SISOTOOL模塊，在閉環(huán)控制系統的設計過(guò)程中進(jìn)行校正，減少了設計的復雜性和重復性，有效地提高了校正系統的控制精度，給控制系統的設計帶來(lái)更高的效率和更好的質(zhì)量，簡(jiǎn)化了設計電壓電流雙閉環(huán)控制過(guò)程中大量的計算，最終得到穩定的模型和好的動(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(zhù)顯著(zhù)的不同。占空比對電感電流的傳遞函數[1]是

（1）

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

3、用SISO對移相全橋控制器進(jìn)行PI參數配置

對一般的控制系統來(lái)講，控制系統對開(kāi)環(huán)頻率特性的要求如下：

(1)為了獲得較好的系統穩定性，開(kāi)環(huán)系統中頻段應有足夠的頻帶寬度，以-20dB/dec的斜率穿越0分貝線(xiàn)；
(2)為了獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，截止頻率應較高；
(3)應該留有足夠的相位裕量，工程領(lǐng)域普遍認為=45°表示系統具有足夠的相位裕度，相位裕度越大，對應系統的超調量就會(huì )越??；
(4)為了提高系統的穩定特性，低頻段應該有高的增益；
(5)為了提高系統的抗高頻干擾能力，高頻段應該有快的衰減。

本文采用全數字控制環(huán)路設計方法，在連續域中，通過(guò)SISOTOOL來(lái)配置PI控制器，離散化后再由DSP控制，移相全橋系統框圖如圖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(hù)界面，通過(guò)利用根軌跡圖或伯德圖來(lái)調整單輸入單輸出反饋控制系統，進(jìn)行控制器的設計。它不需要以命令行的方式輸入大量的指令，只需導入各環(huán)節的模型，用鼠標可以直接對屏幕上的對象進(jìn)行操作。這樣，與SISOTOOL連接的可視分析工具LTIviewer馬上顯示出設計結果，用戶(hù)可結合閉環(huán)響應來(lái)調整增益和零極點(diǎn)，從而設計出滿(mǎn)意的控制器。本文主要通過(guò)頻域調節的方法，來(lái)得到合理的補償控制器。

3.1 電流環(huán)的設計

以輸出濾波電感電流作為電流反饋，電流環(huán)功率級的傳遞函數計算后為

將輸出濾波電感的電流作為控制系統內環(huán)，不僅可以大大提高控制系統的穩定性，改善系統的動(dòng)態(tài)特性和穩態(tài)特性，而且還可以提供快速的過(guò)流保護。帶電感電流內環(huán)的控制系統框圖如圖2所示。

圖2 電流控制環(huán)