电力电子建模控制方式及系统建模.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,DC/DC,变换器动态建模,一、DC/DC变换器,闭环控制系统,先建立被控对象动态数学模型，得到传递函数，再应用经典控制理论进行赔偿网络设计。,电力电子系统普通由电力电子变换器、,PWM,调制器、反馈控制单元、驱动电路等组成。电力电子系统静态和动态性能好坏与反馈控制设计亲密相关。,电力电子建模控制方式及系统建模,第1页,二、,电力电子系统非线性,非线性元件：无法用线性微分方程描述U-I关系元件，如二极管、开关元件（MOSFET、IGBT等）。,电力电子变换器、部分电源和负载都含有非线性。,电力电子系统是,非线性系统，而经典控制理论是线性系统理论，能否适合用于此？若能够，怎样获取其数学模型？,电力电子建模控制方式及系统建模,第2页,CCM:,三、,电力电子系统线性化前提,为了应用经典控制理论进行赔偿网络设计，需要建立电力电子系统线性化数学模型。,静态工作点,输出特征曲线,建立电力电子系统线性化数学模型是否可行？,非线性,电力电子建模控制方式及系统建模,第3页,稳态工作时，输出电压包含,开关周期平均值分量,和,开关频率纹波分量,，而后者远远小于前者。,开关频率纹波分量是与生俱来，无法彻底消除。判断系统是否稳定依据是输出电压平均值波形。,公式中,U,o,指是输出电压开关周期平均值。,电力电子建模控制方式及系统建模,第4页,假设占空比在静态工作点D附近存在一个低频、小扰动，即：,扰动量,PWM脉冲序列宽度被低频正弦信号所调制。,输出电压也被低频调制，即输出电压含有三个分量：,直流分量,、,低频调制小信号分量,和开关频率分量。,电力电子建模控制方式及系统建模,第5页,若,扰动量幅值足够小,，则可用静态工作点处切线代替实际曲线，即：,电力电子建模控制方式及系统建模,第6页,此时，有：,输出电压低频小信号分量与扰动量成正比，说明,含有了线性电路特征,。,忽略纹波,，,研究,小信号扰动下,动态特征，电力电子系统方可近似为,线性系统,。,电力电子建模控制方式及系统建模,第7页,四、,小信号线性模型基本建立方法,电力电子系统,动态分析针正确是,输入/输出电压、输入/输出电流、占空比等变量中,低频小信号分量,。,小信号模型,是指低频小信号分量作用下，电力电子变换器等效模型。,怎样才能有效提取出各电量中小信号分量？,变量=直流分量+低频小信号分量+开关频率纹波分量,=状态平均值+开关频率纹波分量,第1步.求各变量开关周期平均值，以滤除开关频率纹波分量。,第2步.分离扰动，以滤除直流分量。,1.基本思绪,电力电子建模控制方式及系统建模,第8页,2.状态平均,状态平均值：状态变量在一个开关周期内平均值。,状态平均能够滤除信号中开关频率分量。,低频分量频率越小，则状态平均值越靠近于小信号分量+直流分量。,电感电流,电容电压,电力电子建模控制方式及系统建模,第9页,状态2,:,(t+dT,s,t+T,s,),3.直接建模法解析法,用直接建模法，建立CCM时Boost变换器小信号模型。,第1步.状态平均,状态1,:,(tt+dT,s,),电力电子建模控制方式及系统建模,第10页,假设变换器状态变量（电容电压和电感电流）开关频率纹波很小，忽略不计，则：,假设扰动频率足够低，在一个开关周期内，平均值靠近于直流分量，近似不变，则：,瞬时值,电力电子建模控制方式及系统建模,第11页,电力电子建模控制方式及系统建模,第12页,电力电子建模控制方式及系统建模,第13页,电力电子建模控制方式及系统建模,第14页,平均变量状态方程（或状态平均方程）：,电力电子建模控制方式及系统建模,第15页,Tips:状态方程简易求法,电力电子建模控制方式及系统建模,第16页,电力电子建模控制方式及系统建模,第17页,第2步.分离扰动,各平均变量和控制量d都包含了直流分量和低频小信号分量，为,大信号模型,。,大信号模型,若要得出低频小信号模型，需要将直流分量和低频小信号扰动进行分离。,电力电子建模控制方式及系统建模,第18页,令：,则状态方程改写为：,电力电子建模控制方式及系统建模,第19页,等式两边直流项相等，交流项也相等。所以：,静态工作点：,交流小信号状态方程为：,电力电子建模控制方式及系统建模,第20页,小信号乘积项为非线性项，属于二阶微小量，将其从等式中去除，引发误差极小，且能将方程线性化。,第3步.线性化,小信号乘积项,小信号解析模型,电力电子建模控制方式及系统建模,第21页,建立DC/DC变换器小信号模型三步走：,低频假设,小纹波假设,小信号假设,总 结,1、状态平均；2、分离扰动；3、线性化。,建立小信号模型前提,电力电子建模控制方式及系统建模,第22页,3.利用小信号解析模型求取传递函数,第1步.拉普拉斯变换,设各状态变量初值为零,小信号建模目标：研究占空比、输入电压低频小扰动对DC/DC变换器中电压、电流稳定性影响。,电力电子建模控制方式及系统建模,第23页,第2步.依据S域状态方程求取传递函数,输入到输出传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第24页,控制到输出传递函数,开环输入阻抗,控制到电感电流传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第25页,4.小信号电路模型,电感回路小信号电路模型,电力电子建模控制方式及系统建模,第26页,电容回路小信号电路模型,电力电子建模控制方式及系统建模,第27页,CCM时Boost变换器小信号电路模型,理想变压器,电力电子建模控制方式及系统建模,第28页,5.利用小信号电路模型求取传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第29页,输入到输出传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第30页,控制到输出传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第31页,开环输入阻抗,电力电子建模控制方式及系统建模,第32页,6.开关元件平均模型法,开关元件,线性定常电路,电力电子系统,非线性源自于开关元件,。若能将,开关元件线性化,，则可得出电力电子系统线性化模型。,电力电子建模控制方式及系统建模,第33页,用开关元件平均法，建立CCM时Boost变换器小信号模型。,第1步.求开关元件平均变量等效电路,状态2,:,(t+dT,s,t+T,s,),状态1,:,(tt+dT,s,),电力电子建模控制方式及系统建模,第34页,电力电子建模控制方式及系统建模,第35页,开关元件平均化,，就是将其用状态变量平均值控制受控源来表示。,电力电子系统中其它元件为线性元件，所以平均化前后不发生任何改变,。,电力电子建模控制方式及系统建模,第36页,开关元件平均变量等效电路,电力电子建模控制方式及系统建模,第37页,第2、3步.分离扰动、线性化,令：,二阶,微小量,电力电子建模控制方式及系统建模,第38页,交流小信号等效电路,直流等效电路,电力电子建模控制方式及系统建模,第39页,用开关元件平均模型法得到CCM时Boost变换器小信号等效电路，求取传递函数。,输入到输出传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第40页,控制到输出传递函数,电力电子建模控制方式及系统建模,第41页,开环输入阻抗,电力电子建模控制方式及系统建模,第42页,五、,脉宽调制器传递函数,电力电子系统经过调整开关管驱动信号占空比来实现输出控制。,PWM调制器作用：将赔偿网络输出,连续控制量,调制为占空比可调,脉冲序列,驱动信号。,电力电子建模控制方式及系统建模,第43页,电力电子建模控制方式及系统建模,第44页,怎样求出以下各调制器传递函数？,电力电子建模控制方式及系统建模,第45页,电力电子建模控制方式及系统建模,第46页,六、,赔偿网络传递函数,电力电子系统中赔偿网络普通都采取,PI调整器,。,电力电子建模控制方式及系统建模,第47页,PI调整器有两种模拟电路实现方法：,必须用双电源供电,能够用单电源供电,电力电子建模控制方式及系统建模,第48页,