自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)方向課程設(shè)計(jì)基于MATLAB的升壓降壓式變換器的仿真

1、專(zhuān)業(yè)方向設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)： 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)方向課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱(chēng)：基于matlab的升壓-降壓式變換器的仿真 姓 名： 學(xué) 號(hào): 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 起止日期： 2011-11-102011-12-6 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制方 向 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)學(xué)生班級(jí)：自動(dòng)0804 學(xué)生姓名： 陸 紅 偉 學(xué)號(hào)：20085104 設(shè)計(jì)名稱(chēng)：基于matlab升壓降壓式變換器的仿真 起止日期：2011-11-102011-12-6 指導(dǎo)教師：李 麗 設(shè)計(jì)要求：、理解升壓降壓式變換器的電路圖，對(duì)電路中的元器件的作用有深刻的認(rèn)識(shí)。、在對(duì)升壓-降壓（boost-buck）式變換器電路理論分析的基礎(chǔ)上，建立基于s

2、imulink的升壓降壓式變換器的仿真模型、運(yùn)用絕緣柵雙極晶體管（igbt）對(duì)升壓降壓進(jìn)行控制，并對(duì)工作情況進(jìn)行仿真分析與研究。 、在實(shí)際操作中，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)仿真模型的正確性。方 向 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容11月8日分析題目要求，目的11月10日聯(lián)系指導(dǎo)老師，了解其具體要求和做法11月15日收集資料，構(gòu)建仿真電路草圖11月17日在matlab中找相應(yīng)電力電子器件構(gòu)建模型11月20日仿真電路，修改自己能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題11月28日找指導(dǎo)老師答疑，解決自己未能處理的問(wèn)題11月29日完成整個(gè)電路的仿真12月1日寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告12月3日修改并完成報(bào)告，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束基于matlab的升壓降壓式變換器

3、的仿真 一、摘要 直流斬波電路就是將直流電壓變換成固定的或可調(diào)的直流電壓，也稱(chēng)dc/vc變換。使用直流斬波技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能，而且還可以達(dá)到改善網(wǎng)側(cè)諧波和提高功率因素的目的。直流斬波技術(shù)主要應(yīng)用于已具有直流電源需要調(diào)節(jié)直流電壓的場(chǎng)合。直流斬波包括降壓斬波電路、升壓斬波電路和升降壓斬波電路。而利用升壓降壓變換器，既可以實(shí)現(xiàn)升壓，也可以實(shí)現(xiàn)降壓。關(guān)鍵詞 matlab 升壓降壓式變換器 斬波電路 仿真二、設(shè)計(jì)目的和意義通過(guò)對(duì)升壓-降壓（boost-buck）式變換器電路理論的分析，建立基于simulink的升壓-降壓式變換器的仿真模型，運(yùn)用絕緣柵雙極晶體管（igbt）對(duì)升壓降壓進(jìn)行控制，并對(duì)

4、工作情況進(jìn)行仿真分析與研究。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證所建模型的正確性。三、設(shè)計(jì)原理 升壓-降壓式變換器電路圖如圖1所示。設(shè)電路中電感l(wèi)值很大，電容圖1 升壓-降壓式變換器電路圖圖c值也很大，使電感電流和電容電壓基本為恒值。設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)可控開(kāi)關(guān)v出于通態(tài)時(shí)，電源經(jīng)v向電感l(wèi)供電使其貯存能量，此時(shí)電流為，方向如圖1中所示。同時(shí)，電容c維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載r供電。此后，使v關(guān)斷，電感l(wèi)中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為，方向如圖1中所示?？梢?jiàn)，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，因此該電路也稱(chēng)作反極性斬波電路。穩(wěn)定時(shí)，一個(gè)周期t內(nèi)電感l(wèi)兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分為零 則 ： 當(dāng)v處于通態(tài)期間時(shí)，；而

5、當(dāng)v處于端態(tài)期間時(shí)，。于是，所以輸出電壓為:其中=1-，若改變導(dǎo)通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)00.5時(shí)為降壓，當(dāng)0.51時(shí)為升壓，如此可以實(shí)現(xiàn)升壓-降壓的變換，該電路稱(chēng)作升降壓斬波電路即升降壓變換器。圖2中給出了電源電流和負(fù)載電流的波形，設(shè)兩者的平均值分別為和，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有 可得如下圖2 升降壓電路電源電流及負(fù)載電流波形 如果v、vd為沒(méi)有損耗的理想開(kāi)關(guān)時(shí)，則: ，其輸出功率和輸入功率相等，可將其看作直流變壓器。四、詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟 1、在matlab中的simulink下畫(huà)出仿真模型。打開(kāi)power system工具箱中的電力電子模塊組,分別復(fù)制一個(gè)igb

6、t 模塊、二極管diode 模塊到模型中。打開(kāi)igbt 對(duì)話框,按照默認(rèn)值設(shè)置相關(guān)參數(shù),并取消內(nèi)部緩沖電路,即rs=inf、cs=0。打開(kāi)電源模塊, 復(fù)制一個(gè)直流電壓源模塊us，電壓源us=100v 。打開(kāi)元件和接地模塊組, 復(fù)制一個(gè)串聯(lián)rlc元件模塊和一個(gè)并聯(lián)rlc原件模塊以及接地模塊到模型窗口中打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框, 要將串聯(lián)的rlc電路改單個(gè)l原件，設(shè)置參數(shù)為r=0、l=5mh，c=inf。將并聯(lián)的rlc原件模塊改成并聯(lián)的rc模塊，設(shè)置參數(shù)為r=50、l=inf、c=3e-6從simulink 信號(hào)與系統(tǒng)模塊組中復(fù)制一個(gè)具有兩個(gè)輸出信號(hào)的分離器,輸入端連接到igbt 的m 端(用于igbt

7、 電流和電壓的測(cè)量), 一個(gè)輸出端接到示波器scope 的輸入端上。從simulink 輸入源模塊組中復(fù)制一個(gè)脈沖發(fā)生器模型模型窗口中,命名為pulse并將其輸出接到igbt 的門(mén)極上。從連接器模塊組中復(fù)制兩個(gè)t 連接器到仿真模型窗口中, 作為多元件連接的節(jié)點(diǎn)。2、設(shè)計(jì)仿真電路模型圖如圖3所示：負(fù)載為阻性rlc時(shí)：負(fù)載為電容c時(shí)：負(fù)載為rlc串接反電動(dòng)勢(shì)： 圖3 升壓-降壓式變化器仿真電路模型圖 3、仿真打開(kāi)仿真參數(shù)窗口, 選擇ode23tb 算法,相對(duì)誤差設(shè)置為 1e-03,開(kāi)始仿真時(shí)間設(shè)置為0,停止仿真時(shí)間設(shè)置為 0.002s 打開(kāi)脈沖發(fā)生器窗口，參數(shù)設(shè)置：幅值=10，周期=0.0001，

8、占空比分別為30%、50%、75%。通過(guò)示波器可以得出在不同的占空比下，igbt的電流值，電感的電流值以及負(fù)載的電壓值，波形圖如下。其中，ic為igbt電流，il為電感電流，v為負(fù)載輸出電壓1、當(dāng)負(fù)載為rlc時(shí)，設(shè)置參數(shù)為r=50、l=inf、c=3e-6f，觀察輸出波形。a、圖4為占空比為30%時(shí)， ic、v、il的值 圖4占空比為30%時(shí)ic、v、il的值b、占空比為50%時(shí)ic、v、il的值 圖5占空比為50%時(shí)ic、v、il的值c、占空比為75%時(shí)ic、v、il的值 圖6 占空比為75%時(shí)ic、v、il的值2、改變電路中電容c值，設(shè)置參數(shù)c=3e-5f，r=0，觀察輸出值。a、占空比為

9、30%時(shí)，以下分別為ic、v、il的值 圖7占空比為30%時(shí) ic、v、il的值b、占空比為50%時(shí)，以下分別為ic、v、il的值 圖8 占空比為50%時(shí)ic、v、il的值c、占空比為75%時(shí)，以下分別為ic、v、il的值 圖9 占空比為75%時(shí) ic、v、il的值3、在負(fù)載為串聯(lián)rlc和反電動(dòng)勢(shì)e串聯(lián)情況下，設(shè)置參數(shù)e=20v、r=50、l=inf、c=3e-6f；仿真參數(shù)中的停止時(shí)間修改為0.01s。觀察在不同占空比下的輸出a、當(dāng)占空比為30%時(shí)，以下分別為ic、v、il的值 圖10 當(dāng)占空比為30%時(shí)ic、v、il的值b、占空比為50%時(shí)，以下分別為ic、v、il的值圖11 占空比為50

10、%時(shí)ic、v、il的值c、占空比為75%時(shí)，以下分別為ic、v、il的值 圖12 占空比為75%時(shí)ic、v、il的值五、仿真結(jié)果分析： 分析仿真結(jié)果可得：在改變占空比既導(dǎo)通角是，就可相應(yīng)地改變負(fù)載的電壓值。當(dāng)00.5時(shí)為降壓，當(dāng)0.51時(shí)為升壓仿真中，在負(fù)載為rlc的情況下，= 0.3時(shí)，如圖4，輸出電壓比電源電壓低，仿真得到的負(fù)載電壓在示波器顯示中數(shù)值在40v時(shí)保持穩(wěn)定，達(dá)到了降壓的效果，=0.5時(shí)，如圖5所示，負(fù)載電壓在示波器顯示中數(shù)值穩(wěn)定在100v，則和電源電壓一樣，此時(shí)電路既沒(méi)有升壓也沒(méi)有降壓，而當(dāng)=0.75時(shí)，如圖6所示，仿真得到的負(fù)載電壓在示波器顯示中數(shù)值在220v時(shí)保持穩(wěn)定，達(dá)到

11、了升壓的效果。在負(fù)載為電容c的情況下，通過(guò)圖7圖9可得，當(dāng)導(dǎo)通角= 0.3時(shí)，負(fù)載輸出的電壓值明顯小于電源電壓；而= 0.75時(shí)，負(fù)載輸出的電壓高于電源電壓。而在負(fù)載為串聯(lián)rlc和反電動(dòng)勢(shì)e串聯(lián)情況下，在和負(fù)載為rlc的情況作對(duì)比即觀察圖4與圖10可以明顯得出結(jié)論，此時(shí)的輸出電壓v=u+e（其中u為負(fù)載在僅有rlc情況下的輸出電壓，e為接入電路中反電動(dòng)勢(shì)的設(shè)置值），因此該電路負(fù)載的輸出電壓的最小值為e。在改變導(dǎo)通角的時(shí)候就改變了u，即是改變了v。依據(jù)上述的幾種情況，可以得出，該電路及仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)升壓-降壓的變換。六、在建立仿真模型和仿真過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法1、 在simulink中找

12、不到單個(gè)的電感l(wèi)和并聯(lián)rc電路。解決方法：在通過(guò)查閱matlab應(yīng)用技術(shù)在這本書(shū)后，發(fā)現(xiàn)可以將串聯(lián)的rlc電路原件改成單個(gè)的r原件、單個(gè)的l原件和單個(gè)的c原件。而并聯(lián)的rlc電路也可改成任何的兩個(gè)要原件的并聯(lián)電路。將串聯(lián)的rlc電路原件改成單個(gè)l原件的方法為修改其參數(shù)，設(shè)定r=0，c=inf。將并聯(lián)rlc電路原件改成并聯(lián)rc電路也是設(shè)定參數(shù)，設(shè)定l=inf。2、 為了測(cè)定二極管的電流，但是在simulink中能找到的二極管diode少了一個(gè)引腳，在電力電子技術(shù)書(shū)中說(shuō)gto和二極管參數(shù)基本相同，于是我用gto代替二極管diode，可是在仿真的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤。解決方法：在通過(guò)李老師的講解后，明白此處

13、不能用gto，因?yàn)榇颂帥](méi)有g(shù)to的觸發(fā)電路，gto沒(méi)能導(dǎo)通，還是要用二極管diode，但不用測(cè)二極管電流，所以simulink中找到的二極管diode符合要求。3、 在模型建立正確的基礎(chǔ)上，仿真時(shí)不能得到正確的波形解決方法：通過(guò)分析，真是參數(shù)沒(méi)有設(shè)定對(duì)的原因，于是在網(wǎng)上搜索了關(guān)于該模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，還是沒(méi)有得到正確的結(jié)果。在經(jīng)過(guò)李老師的詳細(xì)講解過(guò)后，了解了相關(guān)參數(shù)設(shè)定的大致范圍。其中并聯(lián)rc電路中得c應(yīng)該很小，經(jīng)過(guò)多次嘗試后，將c=3ef改為c=3e-6f，將停止仿真時(shí)間設(shè)置由0.0015s改為 0.002s，而脈沖周期由原來(lái)的0.00001改為0.0001 七、總結(jié)在以前的電力電子技術(shù)學(xué)

14、習(xí)中，升壓-降壓式變換電路既升-降壓直流斬波電路是一個(gè)學(xué)習(xí)重點(diǎn)，通過(guò)老師的講解和教材的詳細(xì)理論分析后，對(duì)整個(gè)電路的工作原理以及該電路實(shí)現(xiàn)的功能都有了充分的了解。而這次對(duì)該電路的仿真，即是一次實(shí)踐對(duì)理論的驗(yàn)證。 在對(duì)升壓-降壓式變換電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用matlab面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和電氣元件的仿真系統(tǒng)，建立了基于simulink的升壓-降壓式變換電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。通過(guò)對(duì)以上的仿真過(guò)程以及輸出電壓波形結(jié)果的分析，成功地驗(yàn)證了該電路的功能；即通過(guò)改變導(dǎo)通比，則可以輸出電壓的大小，即可小于電源電壓，也可大于電源電壓。當(dāng)00.5時(shí)，輸出電壓小于電源電壓，此時(shí)電路為降壓；當(dāng)0.5

15、1時(shí)，輸出電壓大于電源電壓，此時(shí)電路為升壓 。應(yīng)用matlabsimulink進(jìn)行仿真，可以在仿真過(guò)程中靈活改變仿真參數(shù)，并且能通過(guò)示波器直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的改變而變化得情況。而這整個(gè)過(guò)程的仿真，比其它任何方法都直觀明了，還省去了很多復(fù)雜過(guò)程。應(yīng)用matlab對(duì)升降壓式變換器電路仿真研究時(shí)，我們就可以在改變不同的導(dǎo)通比的情況下較為直觀的觀察負(fù)載電壓的輸出變化。matlab提供的可視化仿真工具simulink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用simulink對(duì)升壓-降壓式變換電路進(jìn)行建模，在不同導(dǎo)通比的情況下

16、進(jìn)行了仿真分析，在進(jìn)一步加深了升壓-降壓式變換電路的理論的同時(shí)也為電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)和電力電子器件的性能和相關(guān)參數(shù)的掌握起了很好地促進(jìn)作用。matlab作為一種集數(shù)學(xué)計(jì)算、分析、可視化、算法開(kāi)發(fā)與發(fā)布等于一體的軟件平臺(tái)，通過(guò)其及相關(guān)工具，可以在統(tǒng)一的平臺(tái)下完成相應(yīng)地科學(xué)技術(shù)工作。不僅是對(duì)matlab矩陣的運(yùn)算，還可以對(duì)算法、圖形、圖像、報(bào)告以及各種仿真，并且還能大大提高工作效率，達(dá)到事半功倍的效果。這次關(guān)于對(duì)升降壓式變換器電路的建立和仿真只是應(yīng)用其中的一小部分功能，這完美地凸顯了該軟件的功能強(qiáng)大，還需要以后更多地學(xué)習(xí)。八、體會(huì)這一次的專(zhuān)業(yè)方向的課程設(shè)計(jì)，它作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的”熱身”，我們?cè)谕瓿深}目要求的同時(shí)還要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，盡可能對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)有所幫助。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我在成功地驗(yàn)證了所建電路模型的正確性的同時(shí)，并且對(duì)matlab更加地熟練以及電力電子器件有了更深的了解。而整個(gè)仿真過(guò)程讓我收獲頗豐。從知道題目之后，我就開(kāi)始著手題目的分析以及相關(guān)資料的收集，所學(xué)過(guò)的知識(shí)解決不了就通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上沒(méi)有的就借用圖書(shū)館的書(shū)籍資料。雖然這個(gè)尋找的過(guò)程有很多的失望，但這個(gè)過(guò)程就是收獲的過(guò)程，我不僅僅找到了對(duì)這個(gè)題目有用地知識(shí)外，還有意