闭环控制系统设计

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输出负载电阻不同时,输出的滤波器的 增益特性如图 (a)所示。
假设输出滤波器处于临界阻尼 因为如果系统在临界阻尼是稳定的, 那么在其他负载情况下也是稳定的
第九章 闭环控制系统设计
4、脉宽调制器的增益
从误差放大器的输出到平均 电压Vsr(输出电感的输入端 电感)的增益称为PWM增益, 用Gm表示
当Vea位于三角波的底部 时,脉冲导通时间为0。因 此平均电压Vsr也为0。 因为Vav=(Vsp-1)(ton/T). 当Vea移动到3V三角波的 顶部时, ton/T=0.5, Vav=0.5 *(Vsp-1),Vav与 Vea之间的调制直流增益 为
图9.6
第九章 闭环控制系统设计
系统总开环增益是误差放大器增益与增益Gt的和。
图 (a)的缺点: 1、低频段系统开环增益不大,电压纹波 (120Hz)不够小 2、高频段总的开环增益比较大,高频噪声干扰 在系统中放大,使系统抗噪性能降低
解决办法:
1、电容C1与电阻R2串联,(图9.6的低 频特性)Fz=1/2πR2C1 2、电容C2和R2、C1支路并联,(图9.6 的高频特性) Fp=1/2πR2C2
第九章 闭环控制系统设计
右图(a)和图(b) 所示为不同输出阻抗Ro 值,LoCo滤波器的幅频特性和相频特性,
图中

k2=1 临界阻尼电路 k2>1 欠阻尼电路 k2<1过阻尼电路 图(b)为不同k2下的相移 在转折频率处的相移均为90度
欠阻尼滤波器的相位延迟随频率变化 很快
具有-1增益斜率的电路,相位延迟 不会超过90度
两个相同极点Fp在剪切频率Fco处产生的相位滞后是 滞后相位和超前相位,加上固有得低频270o滞后相位(180o反相,加上初始极 点90o滞后),得到3型误差放大器得闭环滞后为
实际的设计准则:至少 35~45o的相位裕量
第九章 闭环控制系统设计
2、电路稳定的增益斜率准则
±20dB/10倍频程增益变化, 用±1斜率表示
图(a)和图(b)中,当频率增加十 倍或减少十倍时,容抗也增加或 减少十倍,但电阻保持不变,所 以增益变化为20dB/10倍频程
图(c)中,当输出电容没有等效 阻抗(ESR)时,输出的LC滤 波电路具有-2的增益斜率。
2、计算调制器增益Gm和采样网络增益Gs
由式(9.1)可知,调制器增益Gm=0.5(Vsp-1)/3,当占空比为0.5V且Vo=5V时, 由Vo=(Vsp-1)Ton/T,得Vsp=11V,所以
采用SG3524型PWM芯片,误差放大器的基准输入电压为2.5V。 Vo=5V,所以 采样网络的增益是Gs=-6dB
环增益处的倒数,为了使系统得开环增益曲线以- 1斜率穿过点Fco,设计得误差放大器的增益曲线 在频率Fco附近必须具有+1斜率。
图9.14
第九章 闭环控制系统设计
为了获得右图误差放大器增益曲 线,需要有两个零点在Fz和两个 极点在Fp
具有图9.14得曲线段EFGH增益特性的 误差放大器,称为3型误差放大器
第九章 闭环控制系统设计
9.9 设计实例——含有2型误差放大器的正激变换器反馈系统的稳定
正激变换器的设计参数
假设输出滤波器电容含有ESR,同时在 Fco处LC滤波器的增益曲线斜率为-1。 使用一个具有图9.6所示增益特性的2型误 差放大器来设计反馈系统。
1、计算Lo和Co,画出输出滤波器的 增益特性曲线 根据式(2.47)
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9.1 引言
为什么反馈环路会振荡?
例:一个典型的正激变换器负 反馈系统
第十二章 闭环控制系统设计
9.2 系统振荡原理
1、电路稳定的增益准则 电路稳定的第一个准则: 在开环增益为1的频率(剪切频 率、交越频率或截止频率)处, 系统所有的总开环相位延迟必 须小于360o。
相位裕量?
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9.10 III 型误差放大器的使用及其传递函数 9.11 III 型误差放大器传递函数的零极点位置引起的相位滞后 9.12 III 型误差放大器的原理图、传递函数和零极点位置 9.13 III 型误差放大器增益曲线的元件选择 9.14 设计实例(III 型误差放大器) 9.15 不连续模式下反激变换器的稳定 9.16 不连续模式下反激变换器的误差放大器传递函数 9.17 设计实例(不连续模式下反激变换器的稳定) 9.18 本章小结
第九章 闭环控制系统设计
9.10 3型误差放大器的使用及其传递函数
含有ESR的输出电容(普通铝电解电容), 输出纹波电压Vor=RodI 减小输出纹波的唯一途径是通过增大Co来降低Ro 随着电容制造技术的进步:电容制造商已经生产出零ESR的铝电解电容, 以满足输出纹波非常小的应用场合。
当电容不含ESR时,LC滤波器的增益特性曲线在 转折频率继续以-2斜率下降。在期望的Fco点处, 误差放大器得增益等于在Fco处除滤波器外的总开
(9.1)
与频率无关
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采样网络R1、R2的存在,有一个增益衰减Gs Vs和Vo之间的增益Gs是-6dB
5、LC输出滤波器加 调制器和采样网络的 总增益
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9.3 误差放大器幅频特性曲线设计
设计步骤
1、确定剪切频率Fco, 使系统总开环增益在此 频率处为0dB 2、设计误差放大器增益 斜率,使系统总开环增 益曲线,在剪切频率附 近的斜率为-1 3、最后调整误差放大器 的增益曲线,以获得所 需的相位裕量
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系统稳定的第二个准则:
为防止-2增益斜率的电路相位快 速变化,系统开环增益(包括回路中 所有环节增益之和)曲线,在剪切频 率附近的增益斜率为-1
系统稳定的第三个准则:
提供所需的相位裕量为45o左右。
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3、LC输出滤波器的增益特性(输出电容含/不含ESR)
结论: 增加Fz和Fp之间的距离,会获得较大得相位裕量;减小Fz和Fp之间的距离, 会更好地衰减120Hz地纹波,并抑制高频噪声尖峰。 必须在两者之间寻求最佳的折中。
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9.4 误差放大器的传递函数、零点和极点
阻抗Z1和Z2用复变量s=j(2πf)=jω表示, 电容C1的阻抗是1/sC1,电阻R1与电容 C1的串联阻抗是(R1+1/sC1) 串联的R1和电容C1与电容C2并联形成的 反馈支路阻抗为
零、极点表示的是误差放大器增益斜率变化点
一个零点,表示增益斜率变化了+1 一个极点,表示增益斜率变化了-1
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9.5 零极点频率引起的增益斜率变化规则 误差放大器增益曲线的绘制方法:
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9.6 含单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导
图9.7(b)中的误差放大器传递函数
放大器允许的相位滞后315-97=218度。查表12.1。 由表12.1可知,当K值略小于3时,误差放大器得相位滞后满足218度的 要求,为保证有足够的相位裕量,假设K=4,获得208的度相位滞后 在截止频率Fco处的相位裕量为55度。
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由表12.1可知,当K值略小于3时,误差放大器得相位滞后满足218度的要求, 为保证有足够的相位裕量,假设K=4,获得208的度相位滞后 在截止频率Fco处的相位裕量为55度。
2型误差放大器得增益曲线水平部分(F点到G点)的增益是R2/R1,如果R1取 1000 Ω ,R2为100 000 Ω
假设相位裕量为45度,在频率20kHz频率下,系统的总开环相位滞后应为360 -45=315度。LC滤波器自身引起的相位滞后,由式(9.7)给出。 由Fesro=2500Hz在点Fco=20kHz处引起的相位滞后是97度(表12.2)
由Fp处的极点,引起在频率F处的滞后的相位是
(9.5)
由Fp的零点引起的,在剪切频率Fco处的滞后的相位是
(9.6)
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2型误差放大器的固有低频相位滞后是180度(反相器),加上由初始极点引起 的相位滞后90度,总的相位滞后(包括由零点引起的相位超前和由极点引起 的相位滞后)是
引入复变量s=jω,可得
代数运算后得到
因为C2<<C1,所以
s
(9.4)
式9.4是图9.7(b)的误差放大器的传递函数表达式,根据Venable命名, 此类放大器称为2型放大器
第九章 闭环控制系统设计
9.7 根据2型误差放大器的零、极点位置计算其相位延迟
根据Venable法,选定比率K=Fco/Fz=Fp/Fco 一个零点等同于一个RC微分器,会引起相位超前 一个极点等同于一个RC积分器,会引起相位滞后 由Fz处的零点,引起在频率F处的超前的相位是 由Fz处的零点引起的,在剪切频率Fco处的超前的相位是
(9.7)
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9.8 输出电容含有ESR的LC滤波器的相位延迟
总的开环相位延迟,是误差放大器与输出LC滤波器的相位延迟之和。 ESR零点起相位超前的作用。 由Fesro处的ESR零点引起的,在频率F处的相位超前为
由Fesro处的ESR零点引起的,在频率Fco处的相位超前为
(9.8)
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设计步骤:
1、计算Lo和Co,画出输出滤波器的增益特性曲线 根据式(2.47)
根据式(2.48) 式中dI是最小输入电流的两倍2A,Vor是输出纹波电压(0.05V), 可得Co=2600μF 输出LC滤波器的转折频率为
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ESR的零点频率(增益斜率由-2突变为-1时的斜率)为
误差放大器地传递函数用复变量s表示为:G(s)=Z2(s)/Z1(s) 因式分解
式中,z和p的值是RC乘积的表达式,表示不同的频率,令因式为零,可得频率
与z值相对应的频率称为零点频率,与p值对应的频率称为极点频率 初始极点:Fpo=1/2 πR0C0
第九章 闭环控制系统设计
9.5 零极点频率引起的增益斜率变化规则
第九章 闭环控制系统设计
9.1 概述 9.2 系统振荡原理 9 .3误差放大器幅频特性曲线的设计 9 .4 误差放大器的传递函数、零点和极点 9.5 零、极点频率引起的增益斜率变化规则 9.6 含有单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导 9.7 根据II型误差放大器的零、极点位置计算它的相位延迟 9.8 输出电容含有ESR的LC滤波器的相位延迟 9.9 设计实例( II型误差放大器)
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9.3 误差放大器幅频特性曲线设计
选择剪切频率Fco=1/5Fs
大多数情况下,电容存在ESR, Fesr低于剪切频率Fco。 因此在剪切频率处, 增益曲线Gt=(Glc+Gpwm+Gs) 的斜率为-1
误差放大器在Fco的增益必
须等于此处增益 Gt=(Glc+Gpwm+Gs)的负 分贝数
K=4 零点频率Fz=5kHz。由式(9.3) Fz=1/2πR2C1 C1=1/2 π(100000)(5000)=318×10-12 F 极点频率Fp=20×4=80kHz。由式(12.3) Fp=1/2πR2C2 C2=20×10-12 F
九章 闭环控制系统设计
系统开环增益曲线为图9.13所示的IJKLMNO曲线段,即ABCD与EFGH之和。
Fz位于较低频率处,低频增益会降低,不 能有效衰减120Hz的工频纹波。 Fp位于较高频率处,高频增益会增大, 从而使高频窄噪声尖峰以较大的幅值通过。
图9.14
第九章 闭环控制系统设计
9.11 3型误差放大器传递函数得零、极点位置引起得相位滞后
引入比例因子K=Fco/Fz=Fp/Fco 两个相同零点Fz在剪切频率Fco处产生的相位超前是
选择转折频率Fz和Fp,使Fco/Fz=Fp/Fco Fz和Fp越远,在剪切频率Fco处的相位裕量越大。
图9.7
第九章 闭环控制系统设计
选择转折频率Fz和Fp,使Fco/Fz=Fp/Fco Fz和Fp越远,在剪切频率Fco处 的相位裕量越大。
如果Fz选得太低,在120Hz 处的低频增益比选择较高频 率时低,120Hz纹波衰减效 果很差; 如果Fp选得太高,高频增 益比选择较低Fp时大,输 出端有更高的幅值高频噪声 尖峰。
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除误差放大器外的开环 增益是
即图9.13所示曲线的 ABCD段。
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3、设计误差放大器
选取截止频率为开关频率得1/5,即20kHz。 由图可得,误差放大器在截止频率下得增益应取+40dB 因ABCD在频率20kHz处的斜率为-1,所以采用2型误差放大器可满足设计要求。
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