BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 25V5V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)：電力電子題目：BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 25V/5V指導(dǎo)教師： 職稱(chēng)： 講 師課題名稱(chēng)BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-25V/5V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(kāi)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simpowersystems模型庫(kù)搭建開(kāi)環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、觀(guān)察并記錄系統(tǒng)在額定負(fù)載以及突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)

2、的輸出電壓和負(fù)載電流的波形指標(biāo)要求：1、輸入直流電壓(VIN)：25V，輸出電壓(VO)：5V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV 2、負(fù)載電阻：R=1，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)關(guān)頻率(fs)=70kHz3、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(kāi)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(kāi)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)程安排第1天 閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，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

3、元件參數(shù)以及完成BUCK開(kāi)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(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目錄第一章 課題背景41.1 BUCK電路的工作原理41.2 BUCK開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用7第二章 課題設(shè)計(jì)要求82.1課題內(nèi)容：8第三章 課題設(shè)計(jì)方案93.1主電路部分的設(shè)計(jì)93.2閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)103.3閉環(huán)系統(tǒng)仿真14第四章 總結(jié)及心得體會(huì)15第五章 參考文獻(xiàn)16第六章 附錄1616第一章 課題背景1.1 BUCK電路的工作原理BUCK電路基本結(jié)構(gòu)如下圖;圖1-1 基

4、本電路結(jié)構(gòu)及開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路 開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路圖1-2 等效電路模型（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 us(t)的直流分量可以通過(guò)，而抑制 us(t) 的諧波分量通過(guò)；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 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(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對(duì)于電容上輸出的直流電壓Uo有: 電容上電壓宏觀(guān)上可以看作恒定。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(guān)上可以看作是恒定直流，這就是開(kāi)關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似

5、原理。（3）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，使電容電壓上升速度減慢，這種過(guò)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(guò)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(guò)程是電容上電壓調(diào)整的過(guò)渡過(guò)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(kāi)關(guān)S置于1位時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開(kāi)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

6、一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為： 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(kāi)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(chēng)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。電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程分析如下；圖1-3 BUCK電路結(jié)構(gòu)圖1-4 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)段時(shí)等效電路a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)VD關(guān)段，依據(jù)等效電路拓?fù)?，有?(1-4)由于電路工作頻率很高，一個(gè)周期內(nèi)輸入和輸出電壓基本維持不變，可以視為恒定

7、值，那么輸入和輸出的差值為常數(shù)，電流變化為線(xiàn)性，波形如圖所示； (1-5) (1-6) (1-7)b、 二極管VD導(dǎo)通模式晶體管關(guān)段，電感續(xù)流，二極管導(dǎo)通，依據(jù)電路等效拓?fù)溆校?(1-8)同樣，由于輸出電壓視為維持不變，則輸出電流線(xiàn)性減小，波形如圖所示；有： (1-9) (1-10)圖1-5 BUCK電路各點(diǎn)波形1.2 BUCK開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、簿的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此，國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型智能化的元器件，特別是該變二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（MnZn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高

8、頻和較大磁通密度（Bs）下獲得高磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨式，可以采用模塊化電源組分布式電元源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N+I亢余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)聯(lián)系方式的容量擴(kuò)展。而采用部分諧板轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上既可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上既可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題，故仍需在理論上既可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問(wèn)題，故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以應(yīng)用?，F(xiàn)代的高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種電力電子電源技術(shù)?？梢哉f(shuō)，凡是用電

9、的電子設(shè)備沒(méi)有不用開(kāi)關(guān)電源的，如家用電器中的電視機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、音響設(shè)備、日光燈鎮(zhèn)流器、醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備、通信電源、航空航天電源、UPS電源、變頻器電源、交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速電源、便攜式電子設(shè)備的電源等，都要使用高頻開(kāi)關(guān)電源。它的應(yīng)用面之廣、應(yīng)用數(shù)量之大是任何電力電子電源都無(wú)法比擬的。由于高頻開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用面最廣、應(yīng)用的數(shù)量多，因而從事高頻開(kāi)關(guān)電源研發(fā)的工程科技人員也是最多的。第二章 課題設(shè)計(jì)要求2.1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(kāi)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

10、mpowersystems模型庫(kù)搭建開(kāi)環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、 觀(guān)察并記錄系統(tǒng)在額定負(fù)載以及突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)的輸出電壓和負(fù)載電流的波形2.2指標(biāo)要求：1、 輸入直流電壓(VIN)：25V，輸出電壓(VO)：5V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV2、 負(fù)載電阻：R=1，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)關(guān)頻率(fs)=70kHz3、 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(kāi)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(kāi)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

11、.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。第三章 課題設(shè)計(jì)方案3.1主電路部分的設(shè)計(jì)1、電容等效電阻RC和濾波電感C的計(jì)算Buck變換器主電路如圖下所示，其中RC為電容的等效電阻(ESR)。圖3-1 Buck變換器主電路圖輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)， ohm （3-1） (3-2)電解電容生產(chǎn)廠(chǎng)商很少給出ESR，但C與RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080*F。設(shè)計(jì)中取為75*F。 (3-3)2、濾波電感L的計(jì)算S開(kāi)通：（） (3-4)S關(guān)斷： (3-5)最終得到3.2閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3-2 閉環(huán)系統(tǒng)框圖整個(gè)BUCK電路包括Gc(S)為補(bǔ)償器，Gm（S）PWM

12、控制器，Gvd（S）開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和H(S) 反饋網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓Vref比較產(chǎn)生的偏差通過(guò)補(bǔ)償器校正后來(lái)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Uo做成相應(yīng)調(diào)整來(lái)消除偏差。系統(tǒng)傳函框圖如下所示；圖3-3 傳遞函數(shù)框圖2、BUCK變換器原始回路傳函的計(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)GO(s)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Vm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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。將,H(S),=25V,C=750,Rc，L=124.43uH，R=1代入傳函表達(dá)式，得到：用Matl

13、ab繪制Bode圖，所用matlab程序：num=0.375，5den=9.316*10-8，1.242*10-4,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)Transfer function: 1.875e-005 s + 2.5-9.322e-009 s2 + 1.243e-005 s + 10圖3-4 Bode圖由于相角裕度過(guò)低，需要添加有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)校正。3、補(bǔ)償器的傳函設(shè)計(jì)圖3-5 有源超前-滯后補(bǔ)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)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)

14、到抑制輸出開(kāi)關(guān)紋路波的目的，增益交接頻率?。洪_(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)紋波。先將取值，根據(jù)公式可推出：計(jì)算過(guò)程通過(guò)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。如下圖所示；圖3-6 Bode圖1圖3-7 Bode圖2先將R2任意取一值，然后根據(jù)公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，進(jìn)而可得到Gc（S），根據(jù)Gc (S) 確定Kp，ki,kd的值。依據(jù)上述方法計(jì)算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：G(s)=GO(s)Gc (s)計(jì)算過(guò)程可通過(guò)Matlab編程完成。根據(jù)閉環(huán)傳函，

15、繪制波德圖，得到相角裕度，驗(yàn)證是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（參考程序見(jiàn)附錄）3.3閉環(huán)系統(tǒng)仿真(1) 用Matlab繪制Buck電路雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)控制系統(tǒng)的仿真圖（不含干擾負(fù)載）圖3-8 Buck電路雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)控制系統(tǒng)的仿真圖(2) 對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真（不含干擾負(fù)載），使參數(shù)符合控制要求），并記錄波形。經(jīng)過(guò)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1.5，下限為1.3，絕對(duì)誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為1

16、00kHz，幅值為1.5V的鋸齒波。(4) 設(shè)置仿真時(shí)間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長(zhǎng)。(5) 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(kāi)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。圖3-9 輸出電壓和負(fù)載電流的波形圖3-10 局部放大圖第四章 總結(jié)及心得體會(huì)通過(guò)這次的電力電子課程設(shè)計(jì)，我對(duì)這學(xué)期所學(xué)的知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，比如BUCK電路的工作原理；濾波電感及濾波電容公式的推算；MATLAB軟件的使用，電路仿真時(shí)參數(shù)的調(diào)節(jié)等以及畫(huà)原理電路圖時(shí)的整體布局。在這一次的課程設(shè)計(jì)不

17、但充分結(jié)合了電力電子所學(xué)的知識(shí)，將這些知識(shí)進(jìn)行了綜合運(yùn)用，而且還把我這一學(xué)期所聽(tīng)到的，見(jiàn)到的關(guān)于電力電子方面的知識(shí)應(yīng)用到了其中。通過(guò)這學(xué)期的學(xué)習(xí)，使我對(duì)電力電子的內(nèi)容有一個(gè)總體了解，對(duì)它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用上升到了一個(gè)新的高度。這些將對(duì)以后走上工作崗位，從事有關(guān)電力電子的工作有著重要的作用，同時(shí)也為我以后學(xué)習(xí)其他的知識(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這次的課程設(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題，比如在繪制電路圖過(guò)程中有些命令不會(huì)使用；在計(jì)算時(shí)有些公式不理解，對(duì)一些電路圖原理及調(diào)試參數(shù)的不理解等。這些問(wèn)題在同學(xué)和老師的幫助以及自己上網(wǎng)搜索，最后都逐一的解決了，順利地完成了課程設(shè)計(jì)。這使我明白，僅僅依靠我們所學(xué)的知識(shí)來(lái)完

18、成課程設(shè)計(jì)是不夠的，我們需要不斷地學(xué)習(xí)知識(shí)，因?yàn)橹R(shí)在不斷更新，同時(shí)學(xué)習(xí)也是一個(gè)知識(shí)積累的過(guò)程。第五章 參考文獻(xiàn)1電力電子系統(tǒng)建模及控制，徐德洪，機(jī)械工業(yè)出版社2開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制，張衛(wèi)平，中國(guó)電力出版社3電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真，林飛，中國(guó)電力出版社，20094電力電子課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū) ，本院編5電力電子技術(shù)應(yīng)用教程，蔣渭忠，電子工業(yè)出版社6電力電子技術(shù) 第五版,王兆安，機(jī)械工業(yè)出版社，20097電源的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),陸治國(guó)，科學(xué)出版社8 電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐，黃忠霖，國(guó)防工業(yè)出版社第六章 附錄參考程序如下：Vg=25;L=124.3*10-6;C=750*10-6;fs=70*103;R=1;H=0.2;Vm=2 G0=tf(Vg*H/Vm,L*C L/R 1) figure(1) margin(G0);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C); fg=(1/5)*fs; fz1=(1/2)*fp1 fz2=(1/2)*fp1 fp2 =fs fp3=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi)marg_G=1/marg_G0AV1=