BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-30V10V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 課程設(shè)計(jì)名稱： 電力電子 題目：BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- V/ V2016年6月電力電子課程設(shè)計(jì)任務(wù)書二級(jí)學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院 班級(jí)： 13電二 組號(hào)： 8# 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 職稱 講師 課題名稱BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-30V/10V課 題 內(nèi) 容 及 指 標(biāo) 要 求課題內(nèi)容：1、根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，完成開關(guān)電路的設(shè)計(jì)2、根據(jù)設(shè)計(jì)步驟和公式，設(shè)計(jì)雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3、采用MATLAB中simulink中si

2、mpowersystems模型庫(kù)搭建開環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書（封面，目錄，正文）指標(biāo)要求：1、輸入直流電壓(VIN)：30V，輸出電壓(VO)：10V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV 2、負(fù)載電阻：R=2，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開關(guān)頻率(fs)=100kHz3、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1qV，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75*F4、采用壓控開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號(hào)幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S進(jìn)

3、程安排第1天 閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，熟悉設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法第2天 根據(jù)設(shè)計(jì)原理計(jì)算相關(guān)主要元件參數(shù)以及完成BUCK開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第3天 熟悉MATLAB仿真軟件的使用，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型第4天 仿真調(diào)試，記錄要求測(cè)量波形第5天 撰寫課程設(shè)計(jì)說明書起止日期2 日目錄一、Buck電路工作原理4二、Buck開關(guān)電源的應(yīng)用5三、課程目的及設(shè)計(jì)要求63.1 電力電子設(shè)計(jì)目的63.2 電力電子設(shè)計(jì)要求6四、課程設(shè)計(jì)方案74.1 Buck閉環(huán)系統(tǒng)框圖74.2 主電路設(shè)計(jì)以及參數(shù)運(yùn)算74.3 開環(huán)Buck電路仿真9五、閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)105.1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖105.2 Buck變換器原始回路傳遞函數(shù)的計(jì)算11

4、5.3 補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)及仿真125.4 閉環(huán)系統(tǒng)電路仿真14六、心得體會(huì)16七、參考文獻(xiàn)16八、附錄1721一、Buck電路工作原理 降壓式變換電路（Buck電路）詳解Buck電路基本結(jié)構(gòu)如圖1 圖1開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路 開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路如圖2 圖2等效的電路模型及基本規(guī)律（1）從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾  波器設(shè)計(jì) 的原則是使的直流分量可以通過，而抑制的諧波分量通過；電容上輸出電壓就是的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。 （2） 電路工作頻率很高，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充       

5、     放電引起的紋波uripple（t）很小，相對(duì)于電容輸出的直流電壓有： （3） 電容上電壓宏觀上可以看作恒定的                   電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。 一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容

6、電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。      這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。（4）開關(guān)S置于1位時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)S 置于2位時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量

7、為：          此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)：此電勢(shì)將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。二、Buck開關(guān)電源的應(yīng)用現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要一個(gè)恒定輸出的供電電源，無論輸入電壓還是負(fù)載電流發(fā)生變化，只要這些變化在穩(wěn)壓源的運(yùn)行范圍內(nèi)，穩(wěn)壓源都要保證電路有恒

8、定的連續(xù)的電壓輸出。在便攜式系統(tǒng)中，輸入電壓常常來自電池或直流電壓源，而系統(tǒng)所用的芯片越來越多，芯片的功耗也越來越大，系統(tǒng)各芯片對(duì)電源的電壓、電流和性能要求也多種多樣。開關(guān)電源以PWM技術(shù)為主，通過改變脈沖的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，如何根據(jù)電壓和電流情況并考慮性能、功耗和體積等因素在眾多的電源芯片中選型并優(yōu)化，是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的重要問題。借助于TI最新的WEBENCH電源設(shè)計(jì)工具可以在TI眾多的電源芯片中挑選出適合項(xiàng)目的芯片并進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化。三、課程目的及設(shè)計(jì)要求3.1 電力電子設(shè)計(jì)目的此次電力電子課程設(shè)計(jì)中，有四個(gè)目的：1. 了解開、閉環(huán)降壓拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)及工作原理2. 掌握BUCK

9、開關(guān)電源電路中各元器件選擇和主要參數(shù)的計(jì)算3. 運(yùn)用Matlab仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的開、閉環(huán)降壓電路進(jìn)行仿真4. 掌握降壓電路電壓控制雙極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)3.2 電力電子設(shè)計(jì)要求本次電力電子課程設(shè)計(jì)要求中，有七個(gè)要求：1. 輸入直流電壓（Vin）：30V2. 輸出電壓（Vo）：10V3. 輸出電壓紋波峰-峰值：Vpp55mV4. 負(fù)載電阻：R=25. 電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開關(guān)頻率(fs)=100kHz6. BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75*F7. 采用壓

10、控開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號(hào)幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S四、課程設(shè)計(jì)方案4.1 Buck閉環(huán)系統(tǒng)框圖 圖3直流變換：將固定的直流電壓轉(zhuǎn)換為可變的直流電壓?？刂茖?duì)象：實(shí)際的物理系統(tǒng)，是希望被控制的實(shí)際系統(tǒng)。采樣網(wǎng)絡(luò)：確定了采樣位置的點(diǎn)網(wǎng)系統(tǒng),用來監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)特定地點(diǎn)的參數(shù)。補(bǔ)償控制器：提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。鋸齒波PWM補(bǔ)償控制器：通過高頻開關(guān)調(diào)制，使變換器輸出波形的頻譜間距拉大，然后利用濾波器濾出不需要的高頻分量。4.2 主電路設(shè)計(jì)以及參數(shù)運(yùn)算電容等效電阻Rc和濾

11、波電感L的計(jì)算上圖中Rc為電容的等效電阻（ESR），輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)，電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，但C與Rc的乘積趨于常數(shù)，約為50-80*F。本例中取為75*F。計(jì)算出Rc和C的值。 (1-1) (1-2) (1-3)濾波電感L的計(jì)算 開關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程可以計(jì)算。S開通：（） (1-4) (1-5) (1-6)結(jié)合（1-4），（1-5)以及（1-6）可以得出：S關(guān)斷： （1-6） （1-6）最終得到4.3 開環(huán)Buck電路仿真仿真電路如圖4所示圖4仿真如圖5，圖6（電流，電壓穩(wěn)定后的放大圖形）所示圖5圖6仿真結(jié)果分析：仿真時(shí)采用ode23tb算

12、法，開始仿真時(shí)時(shí)間設(shè)為0s，停止仿真時(shí)間設(shè)為0.04s,相對(duì)誤差設(shè)置為1e-03，控制脈沖占空比為33.3，得出輸出電壓為：五、閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖7整個(gè)Buck電路包括為補(bǔ)償器，為PWM控制器，為開環(huán)傳遞函數(shù)和為反饋網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓比較產(chǎn)生的偏差通過補(bǔ)償器校正后來調(diào)節(jié)PWm控制器的波形的占空比，當(dāng)占空比發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓做成相應(yīng)調(diào)整來消除偏差。如圖8所示圖8Gc(s):補(bǔ)償控制器 Gm(s):鋸齒波PWM控制器 Gvd(s):直流變換和控制對(duì)象 H(s):采樣網(wǎng)絡(luò) 5.2 Buck變換器原始回路傳遞函數(shù)的計(jì)算采用小信號(hào)模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)

13、為： 其中為鋸齒波PWm環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，近似成比例環(huán)節(jié)，為鋸齒波幅值的倒數(shù)。為采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，Rx，Ry為輸出端反饋電壓的分壓電阻，為開環(huán)傳遞函數(shù)。將，帶入傳遞函數(shù)表達(dá)式，得到： 所用matlab程序：num=0.000225，3 den=1.03*10-7,6.9*10-5,1 G0 =tf(num,den); bode(G0); margin(G0);圖9用matlab繪制伯德圖如圖9，得到相角裕度33.6度。由于相角裕度過低，因此需要添加有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)校正。5.3 補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)及仿真補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零點(diǎn)、三個(gè)極點(diǎn)。零點(diǎn)為：，極點(diǎn)為：為原點(diǎn)，頻

14、率與之間的增益可近似為：在頻率與之間的增益則可近似為：考慮達(dá)到抑制輸出開關(guān)紋路波的目的，增益交接頻率?。洪_環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)頻率為：將兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)為開環(huán)傳遞函數(shù)兩個(gè)相似極點(diǎn)頻率的，則將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)為以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。先將取值，根據(jù)公式可推出：計(jì)算過程通過matlab變成完成。根據(jù)閉環(huán)傳遞函數(shù)，繪制伯德圖，得到相角裕度。加入補(bǔ)償器之后伯德圖如圖10所示圖10可以看出補(bǔ)償后的相角裕度達(dá)到了154°，滿足設(shè)計(jì)要求。5.4 閉環(huán)系統(tǒng)電路仿真閉環(huán)系統(tǒng)電路如圖11所示：圖11仿真波形如圖12所示：圖12圖12補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)分析：對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真（不含干擾負(fù)載），使參數(shù)符合控制要

15、求），并記錄波形。經(jīng)過調(diào)試，設(shè)置傳輸延遲(Transport Delay)的時(shí)間延遲(Time Delay)為0.0002，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper saturation limit)為1.109，下限為1.105，絕對(duì)誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為100kHz，幅值為10KV的鋸齒波。系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)的輸出電壓和負(fù)載電流的波形。其中采用壓控開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號(hào)幅值為1，周期為0.012S，占空比為20%，相位延遲0.006S。六、心得體會(huì)經(jīng)過一個(gè)星期的拼搏和努力，終于完

16、成了本次電力電子課程設(shè)計(jì)。在此次課設(shè)中，我們對(duì)BUCK變換器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括電路分析及原理解釋、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、閉環(huán)參數(shù)的抑制干擾和BUCK電路的閉環(huán)仿真?？紤]到實(shí)際應(yīng)用和軟件修改的方便，設(shè)計(jì)中補(bǔ)償電路采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例項(xiàng)用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，選用具有三個(gè)極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)挠性闯?滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。增設(shè)的兩個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償由于Buck變換器的極點(diǎn)造成的相位滯后，其中一個(gè)極點(diǎn)可以抵消變換器的ESR零點(diǎn)，另一個(gè)極點(diǎn)設(shè)置在高頻段，可以抑制高頻噪聲。這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)于我們電力電子與自動(dòng)控制課程的檢測(cè)，在理論中的基礎(chǔ)上把它運(yùn)

17、動(dòng)到實(shí)際生活中。查閱資料，與同組同學(xué)交流的過程也是一種學(xué)習(xí)。也熟練熟悉并運(yùn)用MATLAb仿真軟件的使用，通過它來檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，也讓我真正做到了學(xué)以致用。最后，感謝老師在這次課程設(shè)計(jì)中對(duì)我們的指導(dǎo)和糾正。七、參考文獻(xiàn)1、電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐黃忠霖，國(guó)防工業(yè)出版社，1992；2、電力電子系統(tǒng)建模及控制徐德洪，機(jī)械工業(yè)出版社，1993；3、開關(guān)變換器的建模與控制張衛(wèi)平，中國(guó)電力出版社，1996；4、電力電子技術(shù)M丁道宏.北京：航空工業(yè)出版社，1992；5、電力電子技術(shù)應(yīng)用教程蔣渭忠.電子工業(yè)出版社；2007；八、附錄Matlab程序如下:clc;clear;Vg=30;L=137.09*10(-6);C=750*10(-6);fs=100*103;R=2;Vm=3;H=0.3;R c=0.1;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm,L*C,L/R,1);figure(1);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C);margin(G0);fg=(1/5)*fs;fz1=(1/2)*fp1;z2=(1/2)*fp1;fp2=fs;fp3=fs;marg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*m