基于单周期控制(OCC)的PWM整流器仿真设计

资 源 简 介

该项目致力于在MATLAB环境下通过代码与模型结合的方式实现单周期控制（One-Cycle Control，OCC）变换器逻辑。单周期控制是一种先进的非线性控制技术，其核心思想是使受控变量在每一个开关周期内严格等于或比例于控制参考值，从而实现在单个周期内消除瞬态误差。本项目利用MATLAB脚本与Simulink基础模块构建了包含积分器、精密比较器、时钟脉冲发生器以及RS触发器的核心控制环路。在每一个开关周期的开始，时钟脉冲信号使开关管导通，同时激活积分器开始工作；当积分器的输出值与给定的控制信号达到一致时

详 情 说 明

基于MATLAB的单周期控制(OCC)PWM整流系统设计与仿真

项目介绍

本项目实现了一个基于单周期控制（One-Cycle Control, OCC）技术的单相PWM整流器（功率因数校正 - PFC）的高精度仿真系统。单周期控制是一种高性能的非线性控制策略，通过在每一个开关周期内对控制变量进行积分，使得受控量在单个周期内迅速达到参考值。该方法不仅简化了控制硬件结构（省去了复杂的模拟乘法器），还赋予了系统极强的动态响应能力和卓越的抗输入干扰性能。本项目通过MATLAB脚本精确模拟了功率级电路与控制算法的实时交互过程。

功能特性

1. 单位功率因数校正 (PFC)：能够将输入交流电流强制校正为与电压同相的正弦波，显著提升功率因数。
2. 极低谐波失真 (THD)：通过OCC算法有效抑制输入电流谐波，满足电力质量标准。
3. 单周期瞬态补偿：控制逻辑确保系统在单个开关周期内消除误差，具备极速的动态调节速度。
4. 稳健的电压控制：结合PI控制器的电压外环，确保直流输出电压在负载波动或输入变化时保持稳定。
5. 高精度仿真环境：采用1MHz的高采样频率（1微秒步长）进行实时状态推演，真实还原开关动作与电路动态。

系统要求

• MATLAB R2018b 或更高版本。
• 无需额外工具箱，基于MATLAB基础环境运行。

使用方法

1. 启动MATLAB。
2. 打开本项目提供的仿真主程序脚本。
3. 直接运行程序，系统将自动开始实时仿真。
4. 仿真结束后，程序将自动弹出包含交流侧波形、直流侧电压、PWM脉冲细节的可视化波形图。
5. 在MATLAB命令行窗口查看系统的稳态电压、电流THD以及调节时间等量化分析结果。

实现逻辑说明

仿真系统由以下四个核心模块构成：

1. 参数配置与初始化 系统设置了20kHz的开关频率（T_sw = 50us）以及1MHz的采样频率。功率级为一个Boost型整流结构，包含电感、电容、负载电阻及采样电阻。直流参考电压设定为250V，高于输入电压峰值以确保升压整流正常运行。

2. 双闭环控制架构

• 电压外环 (PI控制)：以1kHz的频率更新（每10个仿真步长），模拟数字控制器的处理过程。通过计算参考输出电压与实际电压的误差，利用比例-积分（PI）算法生成控制电压变量 Vm。
• 电流内环 (OCC核心逻辑)：这是系统的关键。在每个开关周期的起始时刻，由时钟信号置位触发器，使开关管导通并复位积分器。积分器对控制电压 Vm 进行积分，当积分值达到特定的门限（由 Vm 与电流采样信号 Rs*i_L 的差值决定）时，比较器改变状态，强制复位触发器以关闭开关管。

3. 电路状态方程求解 程序通过正向欧拉法（Forward Euler Method）对Boost电路的微分方程进行数值求解：

• 导通状态：输入电压对电感充磁，电感电流线性上升，负载由电容支撑。
• 关断状态：电感向直流母线释放能量，电感电流下降，同时为负载供电并为电容充电。
• 系统考虑了整流管的单向导电特性，防止电流反向。

4. 后处理与性能分析 仿真完成后，系统对稳态数据进行自动截取，并使用快速傅里叶变换（FFT）计算输入电流的总谐波失真（THD）。同时，程序会自动检测输出电压达到95%稳态值所需的时间，用以评估系统的动态响应特性。

关键细节与算法分析

• OCC积分方程实现：代码中通过 v_int = v_int + (v_m / T_sw) * dt 精确模拟了物理积分器的行为。其判据 v_int >= (v_m - Rs * abs(i_L)) 的实现，绕过了传统PFC中对输入电压采样的需求，利用平均电流自动跟踪电压的原理实现功率因数校正。
• 抗扰动能力：由于OCC在每个周期都重新积分复位，输入端的电压波动会被立即计入当期的积分过程中，从而使系统对电网侧的扰动具有天然的抑制作用。
• 可视化效果：仿真结果子图详细展示了交流电压与电流的相位一致性，以及在大变比情况下直流电压的建立轨迹，底层PWM脉冲的占空比随交流电压正弦规律自动调节。

--- *注：本项目不仅适用于PWM整流器研究，其核心OCC模块经简单参数修改即可扩展至有源电力滤波器（APF）和高效直流变换器（DC-DC Converter）的设计中。*