开关电源控制PPT课件
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振荡，低频增益不易提高。
26
系统各环节的传递函数
❖ 比例积分调节器
G(s) Kp (s1) s
➢ 对阶跃输入信号可以实现无静差。
3 电力电子装置的建模及控制技术
3.1 电力电子主电路的建模 3.2 系统的传递函数 3.3 电压模式和电流模式控制 3.4 常用PWM控制芯片
1
3.1电力电子主电路的建模
理想开关模型 状态空间平均模型 小信号模型 典型电力电子电路的传递函数
2
电力电子装置的特点
❖电力电子装置控制系统结构
R
Ui0(Cs1/ R)
LCs2
L
s
1
R
Ui
(s)
Ui0 LCs2 L
s
1
D(s)
R
14
获得传递函数模型的其他方法
对降压斩波电路 在一个开关周期内求平均得：
15
降压斩波电路的频率特性
Uo(s) d(s)
16
不同电路的等效
Buck 斩波电路 全桥电路 正激电路
17
升压斩波电路的小信号模型
2. 调节器 常用的调节器结构：P、PI、PID等。
G(s) K p G ( s) K p ( s 1)
s G ( s) K p ( i s 1)( d s 1)
is
25
系统各环节的传递函数
❖ 比例调节器
G(s) Kp
➢ 控制量与误差同时产生，速度快 ➢ 对不同频率放大倍数相同。容易产生高频
a) uC 单位V
b) iL 单位A
利用状态空间平均模型求得的数值解
10
小信号模型
•
xF(x,u,D)
在电路工作点处对方程进行线性化得：
Δ • F x ( x 0 ,u 0 ,D 0 )Δ F x ( x 0 ,u 0 ,D 0 )Δ F u ( x 0 ,u 0 ,D 0 )ΔD
x
u
X ( s ) ( s A I ) 1 B U ( s ) ( s A I ) 1 C D ( s )
13
传递函数模型
对降压斩波电路
• 0 x1
C
RL11CxDL00uuL00d
求得传递函数为：
D0(Cs1/ R)
LCs2
L
s
1
IL(s) UC(s)
LCs2
R
D0 L
s
1
4
电力电子主电路的建模
❖电力电子主电路的建模
理想开关模型 状态空间平均模型 小信号模型
（时变、非线性） （定常、非线性） （定常、线性）
5
理想开关模型
+ Ui
S VD
L C
+ R Uo
理想开关模型
开关导通期间：
开关关断期间：
L
di L dt
ui
uC
C
du C dt
iL
uC R
L
di L dt
D(s)
18
升压斩波电路的频率特性
Uo(s) d(s)
19
升降压斩波电路的小信号模型
升降压斩波电路
经过状态空间平均及工作点处线性化后，系统的传递函数：
Cs1/R U ILC((ss))L LC C2 2 ss1R R L LssD 0((1 1 D D0 0))2 2
(1D0)iL0(Cs1/R)U ( C0Ui0)
7
理想开关模型
+ Ui
S VD
L
C
R
+ Uo
x • A A 1 2x x B B 12u u
t[ti1,ti1Ds)T t[ti1Ds,Tti]
理想开关模型
横坐标：时间(s)
a) uC 单位V
b) iL 单位A
利用理想开关模型求得的数值解
8
状态空间平均模型
+ Ui
DiL DUi
L C
+ R Uo
状态平均模型
•
x Ax Bu
A DA1 (1 D)A2 B DB1 (1 D)B2
即
•
wk.baidu.com
0
x
1
C
1 L
1
x
RC
D L u 0
9
状态空间平均模型
+ Ui
DiL DUi
L C
+ R Uo
状态平均模型
•
0
x
1
C
1
L 1
x
RC
D L u 0
横坐标：时间(s)
LC2sR Ls(1D0)2
Ui(s)
sLL0i(1D0)U ( C0Ui0) LC2sR Ls(1D0)2
D(s)
20
不同电路的等效
升降压斩波电路 反激电路
S ton
toff
t
O
iL
t iCO
t O
21
状态空间平均小信号模型
❖状态空间平均模型、小信号的使用范围： – 频率低于开关频率的1/3~1/5； – 工作点附近小范围。
图1 电力电子装置控制系统结构 与常规控制系统比较： 1. 相同点：分析思路及分析方法相近 2. 不同点：控制对象模型复杂（非线性、时变等）
3
电力电子主电路的建模
器件模型
微模型 宏模型
即使不考虑器件开关过程器件的复杂性电 力电子电路模型也是非线性的
电力电子器件的理想开关模型对控制系统 的建模和分析已经足够精确
D
•
xAxBuCd
11
小信号模型
对降压斩波电路
•
0
x
1
C
1 L
1
RC
x
D
L
u
0
在电路工作点处对方程进行线性化得：
• 0 x1
C
RL11CxDL00uuL00d
12
传递函数模型
对状态方程进行拉氏变换：
•
xAxBuCd
s( s X ) A X ( s ) B U ( s ) C D ( s ) ( s I A ) X ( s ) B U ( s ) C D ( s )
0
uC
C
du C dt
iL
uC R
6
理想开关模型
+ Ui
S VD
L C
+ R Uo
理想开关模型
❖选取为iL、uC状态变量，电路的状态方程可表示为：
x • A A 1 2x x B B 12u u
t[ti1,ti1Ds)T t[ti1Ds,Tti]
A 1 0 C 1 R L 1 1 C ,B 1 0 L 1 , A 2 0 C 1 R L 1 1 C ,B 2 0 0 x uiLC, u[ui]
升压斩波电路
经过状态空间平均及工作点处线性化后，系统的传递函数：
Cs1/R U ILC((ss))L LC C22 ss1R R L LssD 0((11 D D00))22
(1D0)iL0(Cs1/R)UC0
L C2s R Ls(1D0)2
Ui(s)
sLL0i(1D0)UC0 L C2s R Ls(1D0)2
22
3.2 系统各环节的传递函数
❖ 电力电子控制系统的主要环节： ➢ 开关电路（主电路） ➢ PWM环节 ➢ 调节器 ➢ 反馈及滤波环节
23
系统各环节的传递函数
1. PWM环节
忽略延时：d uk
ucm
考虑延时：d uk eTss uk 1
ucm
ucm 1 Tss
24
系统各环节的传递函数
26
系统各环节的传递函数
❖ 比例积分调节器
G(s) Kp (s1) s
➢ 对阶跃输入信号可以实现无静差。
3 电力电子装置的建模及控制技术
3.1 电力电子主电路的建模 3.2 系统的传递函数 3.3 电压模式和电流模式控制 3.4 常用PWM控制芯片
1
3.1电力电子主电路的建模
理想开关模型 状态空间平均模型 小信号模型 典型电力电子电路的传递函数
2
电力电子装置的特点
❖电力电子装置控制系统结构
R
Ui0(Cs1/ R)
LCs2
L
s
1
R
Ui
(s)
Ui0 LCs2 L
s
1
D(s)
R
14
获得传递函数模型的其他方法
对降压斩波电路 在一个开关周期内求平均得：
15
降压斩波电路的频率特性
Uo(s) d(s)
16
不同电路的等效
Buck 斩波电路 全桥电路 正激电路
17
升压斩波电路的小信号模型
2. 调节器 常用的调节器结构：P、PI、PID等。
G(s) K p G ( s) K p ( s 1)
s G ( s) K p ( i s 1)( d s 1)
is
25
系统各环节的传递函数
❖ 比例调节器
G(s) Kp
➢ 控制量与误差同时产生，速度快 ➢ 对不同频率放大倍数相同。容易产生高频
a) uC 单位V
b) iL 单位A
利用状态空间平均模型求得的数值解
10
小信号模型
•
xF(x,u,D)
在电路工作点处对方程进行线性化得：
Δ • F x ( x 0 ,u 0 ,D 0 )Δ F x ( x 0 ,u 0 ,D 0 )Δ F u ( x 0 ,u 0 ,D 0 )ΔD
x
u
X ( s ) ( s A I ) 1 B U ( s ) ( s A I ) 1 C D ( s )
13
传递函数模型
对降压斩波电路
• 0 x1
C
RL11CxDL00uuL00d
求得传递函数为：
D0(Cs1/ R)
LCs2
L
s
1
IL(s) UC(s)
LCs2
R
D0 L
s
1
4
电力电子主电路的建模
❖电力电子主电路的建模
理想开关模型 状态空间平均模型 小信号模型
（时变、非线性） （定常、非线性） （定常、线性）
5
理想开关模型
+ Ui
S VD
L C
+ R Uo
理想开关模型
开关导通期间：
开关关断期间：
L
di L dt
ui
uC
C
du C dt
iL
uC R
L
di L dt
D(s)
18
升压斩波电路的频率特性
Uo(s) d(s)
19
升降压斩波电路的小信号模型
升降压斩波电路
经过状态空间平均及工作点处线性化后，系统的传递函数：
Cs1/R U ILC((ss))L LC C2 2 ss1R R L LssD 0((1 1 D D0 0))2 2
(1D0)iL0(Cs1/R)U ( C0Ui0)
7
理想开关模型
+ Ui
S VD
L
C
R
+ Uo
x • A A 1 2x x B B 12u u
t[ti1,ti1Ds)T t[ti1Ds,Tti]
理想开关模型
横坐标：时间(s)
a) uC 单位V
b) iL 单位A
利用理想开关模型求得的数值解
8
状态空间平均模型
+ Ui
DiL DUi
L C
+ R Uo
状态平均模型
•
x Ax Bu
A DA1 (1 D)A2 B DB1 (1 D)B2
即
•
wk.baidu.com
0
x
1
C
1 L
1
x
RC
D L u 0
9
状态空间平均模型
+ Ui
DiL DUi
L C
+ R Uo
状态平均模型
•
0
x
1
C
1
L 1
x
RC
D L u 0
横坐标：时间(s)
LC2sR Ls(1D0)2
Ui(s)
sLL0i(1D0)U ( C0Ui0) LC2sR Ls(1D0)2
D(s)
20
不同电路的等效
升降压斩波电路 反激电路
S ton
toff
t
O
iL
t iCO
t O
21
状态空间平均小信号模型
❖状态空间平均模型、小信号的使用范围： – 频率低于开关频率的1/3~1/5； – 工作点附近小范围。
图1 电力电子装置控制系统结构 与常规控制系统比较： 1. 相同点：分析思路及分析方法相近 2. 不同点：控制对象模型复杂（非线性、时变等）
3
电力电子主电路的建模
器件模型
微模型 宏模型
即使不考虑器件开关过程器件的复杂性电 力电子电路模型也是非线性的
电力电子器件的理想开关模型对控制系统 的建模和分析已经足够精确
D
•
xAxBuCd
11
小信号模型
对降压斩波电路
•
0
x
1
C
1 L
1
RC
x
D
L
u
0
在电路工作点处对方程进行线性化得：
• 0 x1
C
RL11CxDL00uuL00d
12
传递函数模型
对状态方程进行拉氏变换：
•
xAxBuCd
s( s X ) A X ( s ) B U ( s ) C D ( s ) ( s I A ) X ( s ) B U ( s ) C D ( s )
0
uC
C
du C dt
iL
uC R
6
理想开关模型
+ Ui
S VD
L C
+ R Uo
理想开关模型
❖选取为iL、uC状态变量，电路的状态方程可表示为：
x • A A 1 2x x B B 12u u
t[ti1,ti1Ds)T t[ti1Ds,Tti]
A 1 0 C 1 R L 1 1 C ,B 1 0 L 1 , A 2 0 C 1 R L 1 1 C ,B 2 0 0 x uiLC, u[ui]
升压斩波电路
经过状态空间平均及工作点处线性化后，系统的传递函数：
Cs1/R U ILC((ss))L LC C22 ss1R R L LssD 0((11 D D00))22
(1D0)iL0(Cs1/R)UC0
L C2s R Ls(1D0)2
Ui(s)
sLL0i(1D0)UC0 L C2s R Ls(1D0)2
22
3.2 系统各环节的传递函数
❖ 电力电子控制系统的主要环节： ➢ 开关电路（主电路） ➢ PWM环节 ➢ 调节器 ➢ 反馈及滤波环节
23
系统各环节的传递函数
1. PWM环节
忽略延时：d uk
ucm
考虑延时：d uk eTss uk 1
ucm
ucm 1 Tss
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系统各环节的传递函数