buck開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究報(bào)告

1、-. z.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- 20V/ 10V電力電子課程設(shè)計(jì)任務(wù)書二級(jí)學(xué)院(直屬學(xué)部):電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí):所屬組號(hào)2#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-20V/10V課題工作容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，設(shè)計(jì)雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型庫搭建閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型3、觀察系統(tǒng)在額定負(fù)載以及突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)的

2、輸出電壓和負(fù)載電流的波形。4、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書，要求包括：一、封面二、任務(wù)書三、目錄四、正文1、BUCK電路根本原理2、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求、主電路設(shè)計(jì)占空比、濾波電感、濾波電容的設(shè)計(jì)3、BUCK開關(guān)電源方案設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)框圖，各模塊設(shè)計(jì)方法包括雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)4、仿真(開環(huán)和閉環(huán)仿真仿真參數(shù)及過程描述、仿真模型圖、仿真波形及仿真結(jié)果分析，含負(fù)載擾動(dòng)情況下的仿真波形5、總結(jié)含心得體會(huì)6、參考文獻(xiàn)不少于6篇-. z.指標(biāo)目標(biāo)要求輸入直流電壓(Vin)：20V輸出電壓(Vo)：10V負(fù)載電阻： QUOTE 輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV ，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%開關(guān)

3、頻率(fs)：100kHz QUOTE 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)程安排閱讀課程設(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)熟悉MATLAB仿真軟件的使用，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型仿真調(diào)試，記錄要求測(cè)量波形撰寫課程設(shè)計(jì)說明書主要參考文獻(xiàn)電力電子系統(tǒng)建模及控制，徐德洪，機(jī)械工業(yè)開關(guān)變換器的建模與控

4、制，*衛(wèi)平，中國(guó)電力電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真林飛，中國(guó)電力，2009電力電子課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書本院編；電力電子技術(shù)應(yīng)用教程，蔣渭忠，電子工業(yè)地點(diǎn)秋A404起止日期目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc454408589 一、課題背景 PAGEREF _Toc454408589 h 1 HYPERLINK l _Toc454408590 1、buck電路的工作原理 PAGEREF _Toc454408590 h 1 HYPERLINK l _Toc454408591 二、課題設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc454408591 h 1 HYPERLINK l

5、 _Toc454408592 三、課題設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc454408592 h 1 HYPERLINK l _Toc454408593 1、系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc454408593 h 1 HYPERLINK l _Toc454408594 2、主電路局部的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc454408594 h 1 HYPERLINK l _Toc454408595 3、閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc454408595 h 1 HYPERLINK l _Toc454408596 4、閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 PAGEREF _Toc454408596 h 1 HYP

6、ERLINK l _Toc454408597 四、總結(jié)及心得體會(huì) PAGEREF _Toc454408597 h 1 HYPERLINK l _Toc454408598 五、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc454408598 h 1 HYPERLINK l _Toc454408599 附錄 PAGEREF _Toc454408599 h 1-. z.一、課題背景1、buck電路的工作原理 Buck電路是由一個(gè)Mosfet S與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的，是一種降壓斬波電路，其電路如圖1-1，其中RC為電容的等效電阻(ESR)。圖1.1 buck變換器主電路圖由驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期地控制mosfet S的導(dǎo)通與截

7、止，通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比D，來改變輸出電壓Uo。當(dāng)電路中上管導(dǎo)通時(shí)，源極電壓等于輸入電壓，因此驅(qū)動(dòng)管的柵極電壓=Vin+Vgs，IC不能直接驅(qū)動(dòng)，IC內(nèi)部將上管的驅(qū)動(dòng)路采用浮地的方式，外接自舉電容組成偏置電路來驅(qū)動(dòng)上管。根據(jù)開關(guān)管的通斷狀態(tài)列基爾霍夫電壓方程：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)：1-1當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)：1-2BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用自從20世紀(jì)70年代，用高頻開關(guān)電源取代線性調(diào)節(jié)器式電源以來，高頻開關(guān)電源得到了很大的開展。40多年來，高頻開關(guān)電源的技術(shù)進(jìn)步和開展歷程有三大標(biāo)志：功率半導(dǎo)體開關(guān)器件用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)取代了70年代使用的普通功率晶體管；高

8、頻化PWM與PFM控制技術(shù)的應(yīng)用和軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用；開關(guān)電源系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)代的高頻開關(guān)電源技術(shù)是開展最快、應(yīng)用最廣泛的一種電力電子電源技術(shù)。可以說，但凡用電的電子設(shè)備沒有不用開關(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，都要使用高頻開關(guān)電源。這些電源功率通常僅有幾十瓦至幾百瓦。手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾瓦。通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)千瓦至數(shù)百千瓦。工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)

9、床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。上述的開關(guān)電源最終的供電對(duì)象根本都是電子電路，電壓多為3.3V，5V,12V等。除了這些應(yīng)用之外，開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電，電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過程等，功率可達(dá)幾十至幾百千瓦。在*光機(jī)、微波發(fā)射器、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。二、課題設(shè)計(jì)要求 1、輸入直流電壓(Vin)：20V 2、輸出電壓(Vo)：10V 3、負(fù)載電阻： QUOTE 4、輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV ，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10% 5、開關(guān)頻率(fs)：100kHz QUOTE 6、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD

10、=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 7、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。三、課題設(shè)計(jì)方案1、系統(tǒng)的組成 1.1 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造框圖圖3.1.1 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造框圖整個(gè)BUCK電路包括:Gc(S)為補(bǔ)償器，GmSPWM控制器，GvdS開環(huán)傳遞函數(shù)和H(S) 反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓Vref比擬產(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Uo做成相應(yīng)調(diào)整來消除偏差。2系統(tǒng)傳函框

11、圖2、主電路局部的設(shè)計(jì) 2.1 電容等效電阻RC和濾波電感C的計(jì)算Buck變換器主電路如圖所示，其中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)，式3-1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5080*F。本例中取為75*F，由式(3-1)可得RC=100m，C=750F。 2.2 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分別如式(3-2)、(3-3)所示式3-2式3-3二極管的通態(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，=0.2IN。利用，可得TON=5.3S，將此值回代式(3-2)

12、，可得L=99.64H，取L=100H3、閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 BUCK變換器原始回路傳函的計(jì)算其中為鋸齒波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)，R*，Ry為輸出端反應(yīng)電壓的分壓電阻，為開環(huán)傳遞函數(shù)。將Vm=3V,H(S)=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100m，L=100uH，R=2歐代入傳函表達(dá)式，得到：式3-1用matlab繪制波德圖，得到相角裕度34.6度。num=0.00015，2den=7.5*10-8，5*10-5,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)由于相角裕度過低。需要添加有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)校正。

13、3.2 雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路如圖所示圖3.2.1 有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：式3-2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 QUOTE 與 QUOTE 之間的增益可近似為：在頻率 QUOTE 與 QUOTE 之間的增益則可近似為：考慮到達(dá)抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取 (開關(guān)頻率)開環(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)傳函兩個(gè)相近極點(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R2取10k，然后根據(jù)公式可推算出R1、R3、C1、C2、C3的值進(jìn)而可得到依據(jù)上述方

14、法計(jì)算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：計(jì)算過程可通過matlab編程完成，程序見附錄。根據(jù)閉環(huán)傳函，繪制波德圖，如圖，圖圖3.2.2 補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)Gcs伯德圖圖3.2.3 閉環(huán)傳遞函數(shù)Gs伯德圖得到相角裕度90.6，符合要求。進(jìn)過計(jì)算最終可得：R1=3.7942*106R3=1.1025*104C1=5.472*10-8 FC2=1.5962*10-10 FC3=1.4436*10-10 F進(jìn)而可得到式3-3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)：式3-44、閉環(huán)系統(tǒng)的仿真用Matlab繪制Buck電路雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)控制系統(tǒng)的仿真圖如圖4.

15、1圖4.1 Buck電路雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)控制系統(tǒng)的仿真圖4.1 不加任何干擾時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的仿真1對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)展仿真不含干擾負(fù)載，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0.0001，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper saturation limit)為1.488，下限為1.480，絕對(duì)誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為70kHz，幅值為3.66V的鋸齒波。(2) 設(shè)置仿真時(shí)間為0.05s，采用ode23算法，設(shè)變步長(zhǎng)1e-7。不加干擾時(shí)BUCK電路閉環(huán)仿真電流及其局部放大

16、波形如圖4.2和圖4.3所示：圖4.2 BUCK電路閉環(huán)仿真電流波形圖4.3 BUCK電路閉環(huán)仿真電流的局部放大波形不加干擾時(shí)BUCK電路閉環(huán)仿真電壓及其局部放大波形如圖4.4和圖4.5所示：圖4.4 BUCK電路閉環(huán)仿真電壓波形圖4.5 BUCK電路閉環(huán)仿真電壓的局部放大波形如上述圖4.2-圖4.5所示，BUCK電路閉環(huán)仿真電路穩(wěn)定后輸出電壓為10V，最大值為10.035V，最小值為9.975V，峰-峰值為0.005V，符合要求；輸出電流穩(wěn)定后為5A，最大值為5.018A，最小值為4.988AA，峰-峰值為0.03A，符合要求。4.2 加干擾時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)的

17、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。系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)的輸出電壓和負(fù)載電流的波形如圖4.6所示：圖4.6 BUCK電路閉環(huán)仿真電流和電壓波形其中電流局部放大圖如圖4.7所示：圖4.7 BUCK電路閉環(huán)仿真電流局部放大波形電壓局部放大圖如圖4.8所示：圖4.8 BUCK電路閉環(huán)仿真電壓局部放大波形如上述圖4.6至圖4.8所示，BUCK電路閉環(huán)仿真電路穩(wěn)定后輸出電壓為10V，每隔0.012s出現(xiàn)擾動(dòng)，擾動(dòng)消失后能很開恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，最大值為10.002V

18、，最小值為9.998V，峰-峰值為0.004V，符合要求；輸出電流穩(wěn)定后為8A，每隔0.012s出現(xiàn)擾動(dòng)，擾動(dòng)消失后能很開恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，最大值為8.002A，最小值為7.998A，峰-峰值為0.004A，符合要求。四、總結(jié)及心得體會(huì)這次電力電子的課程設(shè)計(jì)是以Buck開關(guān)電源為研究對(duì)象，學(xué)做了一個(gè)有關(guān)BUCK開關(guān)電源電壓型雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償器控制的仿真研究。本次課程設(shè)計(jì)是針對(duì)BUCK降壓斬波器，包括電路的原理分析，buck電路的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)，buck電路的閉環(huán)設(shè)計(jì)及buck電路的閉環(huán)仿真。通過閉環(huán)仿真，可以看到閉環(huán)控制的穩(wěn)壓及抑制干擾作用。通過這次設(shè)計(jì)主要取得了如下成果：掌握了一定的

19、電力電子建模知識(shí)、開關(guān)變換器的建模知識(shí)；對(duì)PID控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認(rèn)識(shí)；熟練運(yùn)用Matlab的仿真軟件；對(duì)開關(guān)電源的用途、現(xiàn)狀與開展有了新的體會(huì)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，選用具有雙極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)腜ID控制器，增設(shè)的兩個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償由于Buck變換器的雙極點(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。仿真時(shí)先對(duì)不加任何干擾時(shí)BUCK電路閉環(huán)的仿真，調(diào)節(jié)各種元器件的參數(shù)使得最后的仿真波形與預(yù)期的一樣，之后進(jìn)展系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負(fù)載時(shí)的仿真，這時(shí)系統(tǒng)將得到一個(gè)波動(dòng)的干擾影響輸出電壓電流，得到的波形也是有個(gè)穩(wěn)定周期地?cái)_動(dòng)的。本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)本學(xué)期學(xué)習(xí)的一個(gè)檢驗(yàn)，把理論的運(yùn)用到應(yīng)用中。實(shí)驗(yàn)過程中遇到難點(diǎn)，通過查資料豐富了自己的知識(shí)，本次實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)了使用Matlab仿真軟件，全英文的軟件，感受到英語不好的憂傷，不過matlab是很強(qiáng)大的，通過它檢測(cè)了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，感受到了成功的喜悅。一周的課程設(shè)計(jì)雖然沖忙，但也學(xué)到的很多課堂上學(xué)不到的知識(shí)，實(shí)踐出真理，既穩(wěn)固了之前所學(xué)的知識(shí)，也鍛煉了自身的動(dòng)手能力，還學(xué)到了不少新的知識(shí)，一舉三得。五、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)2、開關(guān)變換器的建模與控制，*衛(wèi)平