論文-Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真設(shè)計(jì)研究

.9-/NUMPAGES37畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文說明書題目：Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究系名信息工程系專業(yè)自動(dòng)化學(xué)號(hào)6011XXXXXXX學(xué)生姓名XXX指導(dǎo)教師XXX2015年6月5日畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文任務(wù)書題目：Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究系名信息工程系專業(yè)自動(dòng)化學(xué)號(hào)6011XXXXXX學(xué)生姓名XXX指導(dǎo)教師XXX職稱副教授20XX12月15日一、原始依據(jù)〔包括設(shè)計(jì)或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等。便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用,推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。因?yàn)殚_關(guān)電源具有體積小、重量輕以及功率密度和輸出效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的線性電源,隨之成為電源芯片中的主流產(chǎn)品。隨著開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,對(duì)開關(guān)電源的要求也日益提高,高效率、高可靠性以及高功率密度成為趨勢(shì),這就對(duì)開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。其中對(duì)于非隔離的DC/DC開關(guān)電源,按照電路功能劃分,有降壓式〔BUCK、升壓式〔BOOST,還有升降壓式〔BUCK-BOOST等。其中品種最多,發(fā)展最快的當(dāng)屬降壓式〔BUCK。我國(guó)目前能源緊缺,而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè),因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源產(chǎn)品時(shí),轉(zhuǎn)換效率必須作為一個(gè)重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用3.6V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)不斷擴(kuò)大,且功能和性能變得更多和更高,對(duì)適用于這類產(chǎn)品的BUCK變換器的性能提出了更高的要求。因此研究BUCK變換器的控制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。二、參考文獻(xiàn)[1]丘濤文.開關(guān)電源的發(fā)展及技術(shù)趨勢(shì)[J].電力標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)經(jīng)濟(jì),2008,17<6>：58-60.[2]張乃國(guó).一種脈沖頻率調(diào)制型穩(wěn)壓電路的研究[J].電源世界,2007,10〔4：21-23.[3]劉樹林,輸出本質(zhì)安全型Buck-BoostDC-DC變換器的分析與設(shè)計(jì),中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28<3>:60-65.[4]馬麗梅,Buck-boostDC-DC變換器的控制,XX工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37<4>:101-105.[5]劉樹林,Buck-Boost變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析,電子學(xué)報(bào),2007,20<5>:838-843.[6]彭力,新型大功率升降壓型DC-DC變換器控制研究,船電技術(shù),1999,3<1>:26-28.[7]鐘久明

,Buck-Boost變換器的本質(zhì)安全特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)XX科技大學(xué)碩士學(xué)位論文

2006.[8]高飛,蔣贏,趙小妹等,一種新型Buck-Boost變換器,電力電子技術(shù)201022<4>:50-52.[9]XuJianping,YuJuebang.EquivalentcircuitmodelofswitchesforSPICEsimulation.IEEElectronics,Letters,1988,Vol.24,No.7,437-438.[10]XuJianping,YuJuebang,ZengH.SPICEsimulationofswitchedDC-DCconvert.IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems,1991,Vol.24,No.5,3032-3026.[11]王海鵬,王立志,王卓.基于1394的數(shù)據(jù)傳輸電路[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32<21>：52-54.[12]王久和.電壓型PWM整流器的非線性控制[M].第1版,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.[13]師婭,唐威.一種電流型PWM控制芯片的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2007,24<8>：145-148.三、設(shè)計(jì)〔研究?jī)?nèi)容和要求〔包括設(shè)計(jì)或研究?jī)?nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù),并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求。對(duì)直流Buck變換器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,利用Simulink研究雙閉環(huán)PID控制算法,實(shí)現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。具體內(nèi)容要求如下：1．熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設(shè)計(jì)2．掌握MATLAB/Simulink軟件的使用3．掌握對(duì)Buck變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)建模4．驗(yàn)證雙閉環(huán)控制的工作原理,采用Simulink對(duì)電路做仿真分析5．完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。指導(dǎo)教師〔簽字年月日審題小組組長(zhǎng)〔簽字年月日天津大學(xué)仁愛學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文開題報(bào)告課題名稱Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究系名信息工程系專業(yè)名稱自動(dòng)化學(xué)生姓名XXX指導(dǎo)教師XXX一.課題的來源與意義隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,電子設(shè)備的種類越來越多,電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源,它們對(duì)電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓技術(shù)比較成熟,并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊,具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大,需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在50Hz的工頻上,所以其重量較大。又因?yàn)檎{(diào)整管工作在線性放大狀態(tài),為了保證輸出電壓穩(wěn)定,其集電極與發(fā)射極之間需承受較大的電壓差,導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大,電源效率很低,一般只有45%左右[1]。受這些缺點(diǎn)的限制,線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代,美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo),開發(fā)了開關(guān)電源。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應(yīng)用[2],各種電池供電的電子產(chǎn)品如照相機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、手機(jī)、手提電腦都需要DC/DC變換器等開關(guān)電源芯片[3]。開關(guān)電源技術(shù)于20世紀(jì)80年代引入我國(guó),隨著計(jì)算機(jī)、通訊、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展,我國(guó)開關(guān)電源市場(chǎng)不斷增長(zhǎng),開關(guān)電源控制器芯片的研究已成為國(guó)內(nèi)功率電子學(xué)領(lǐng)域中頗受關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。我國(guó)目前能源緊缺,而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè),因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源產(chǎn)品時(shí),轉(zhuǎn)換效率必須作為一個(gè)重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用3.6V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)不斷擴(kuò)大,且功能和性能變得更多和更高,對(duì)適用于這類產(chǎn)品的BUCK變換器的性能提出了更高的要求。因此研究BUCK變換器的性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[5][6]。國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩rDC/DC變換器是一種強(qiáng)非線性系統(tǒng),由于電氣參數(shù)的不確定性以及負(fù)載的多變性,使得DC/DC變換器的控制變得較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論,很難實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)性能。于是,進(jìn)一步的研究在于對(duì)系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型和采用先進(jìn)的控制算法。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,出現(xiàn)了許多DC-DC變換器新的控制方法以提高系統(tǒng)性能。例如：<1>雙線性理論；<2>魯棒控制；<3>滑模變結(jié)構(gòu)控制；<4>自適應(yīng)控制；<5>智能控制。這些新控制方法的提出,使DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零,動(dòng)態(tài)性能獲得很大改善,而且對(duì)參數(shù)的不確定性和負(fù)載的多變性也有很好的魯棒性。1、雙線性理論此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng),能夠取得較好的控制效果。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用此模型對(duì)Boost電路進(jìn)行閉環(huán)控制,不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量,而且實(shí)現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應(yīng)。此方法一般適用于兩個(gè)狀態(tài)變量以上的DC/DC變換器拓?fù)?。但這種控制方案的缺點(diǎn)是忽略了輸入電壓擾動(dòng),若輸入電壓擾動(dòng)不為零,將會(huì)影響系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[7]。2、魯棒控制魯棒控制是處理外加擾動(dòng)和不確定性模型的有力工具,基于DC/DC變換器的線性化小信號(hào)建模。文獻(xiàn)[8]中提出了兩個(gè)自由度控制的設(shè)計(jì)思想,來實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器的魯棒控制。它能夠?qū)ω?fù)載和輸入電壓的變化保證充足的魯棒性。雖然魯棒控制解決了輸入電壓變化的問題,但其線性化小信號(hào)建模精確度不高,而且控制器結(jié)構(gòu)不可變,下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制,這兩種控制能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制效果[8]。3、滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)理論由前蘇聯(lián)學(xué)者歐曼爾揚(yáng)諾夫<S.V.Emelyanov>、尤特金<V.I.Utkin>于20世紀(jì)50年代提出并發(fā)展至今?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性,它使得系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)下不僅保持對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性,而且可以獲得較為滿意的動(dòng)態(tài)性能。因此,它特別適用于DC/DC變換器這樣的非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。4、自適應(yīng)控制20世紀(jì)50年代初提出的自適應(yīng)控制方法是根據(jù)響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調(diào)整響應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化,最終使響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)同步。文獻(xiàn)[9]、[10]分別提出了PI自適應(yīng)串級(jí)控制和自適應(yīng)PID串級(jí)控制,并很好地應(yīng)用于DC/DC升壓變換器中。此外,逆向自適應(yīng)控制,雙環(huán)自適應(yīng)控制和模型參考自適應(yīng)控制等均已成功用于DC/DC變換器。這些控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制器結(jié)構(gòu)靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,并對(duì)參數(shù)變化具有很好的魯棒性。但由于其設(shè)計(jì)需要在線估計(jì)或辨識(shí)參數(shù),導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)困難,而且存在實(shí)時(shí)性問題。自適應(yīng)控制與其它控制方法以及智能控制相結(jié)合可以避免這些問題并得到更好的控制效果[9][10]。5、智能控制智能控制是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略。這些方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有很好的魯棒性,因此用于DC/DC變換器的控制中,可以簡(jiǎn)化非常復(fù)雜的建模問題而更適于實(shí)際應(yīng)用。三.研究目標(biāo)對(duì)直流Buck變換器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,利用Simulink研究雙閉環(huán)PID控制算法,實(shí)現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。四.研究?jī)?nèi)容1．熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設(shè)計(jì)。2．掌握對(duì)Buck變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)建模。3．驗(yàn)證雙閉環(huán)控制的工作原理,采用Simulink對(duì)電路做仿真分析。五.研究方法及手段1.通過閱讀相關(guān)書籍文獻(xiàn),熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設(shè)計(jì),并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。2.設(shè)計(jì)Buck電路器雙閉環(huán)控制的閉環(huán)參數(shù)與不同補(bǔ)償方法。3.對(duì)Buck電路閉環(huán)仿真,并根據(jù)要求的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行誤差分析。4.查閱Buck變換器雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)實(shí)例,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。SimulinkSimulink仿真Buck變換器主電路設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)電壓外環(huán)設(shè)計(jì)課題系統(tǒng)框架圖六.進(jìn)度安排—2015.2.28了解課題,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,完成開題報(bào)告；—2015.3.15查閱關(guān)于BUCK電路的相關(guān)書籍,熟悉其原理及其應(yīng)用；—2015.3.31查找相關(guān)外文資料并翻譯外文資料,完成中期報(bào)告；—2015.4.15熟悉MATLAB仿真軟件,進(jìn)行仿真分析,調(diào)整電路結(jié)構(gòu),元件和仿真參數(shù)；—2015.5.1對(duì)仿真電路和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試,誤差分析,整理資料；—2015.6.1按要求認(rèn)真撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告,準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。實(shí)驗(yàn)方案的可行性分析Buck變換器應(yīng)用廣泛,在實(shí)際應(yīng)用上有著豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；并且此實(shí)驗(yàn)只需要用MATLAB軟件仿真。因此無論從理論的成熟角度來講,還是從實(shí)驗(yàn)條件的具備方面來說,這個(gè)課題都具備良好的可操作性,此方案可行。八.參考文獻(xiàn)[1]何宏,魏克新,王紅軍,等.開關(guān)電源電磁兼容性[M].第1版,北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008：15-21.[2]丘濤文.開關(guān)電源的發(fā)展及技術(shù)趨勢(shì)[J].電力標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)經(jīng)濟(jì),2008,17<6>：58-60.[3]T.Regan.Lowdropoutlinearregulatorsimproveautomotiveandbattery-poweredsystems[M].Nurnberg:PowerconversionandIntelligentMotion,1990.65-69.[4]閆永亮.淺論開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)科技信息,2009,21〔16：137-138.[5]張占松,蔡宜三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006：56-61.[6]劉樹林,輸出本質(zhì)安全型Buck-BoostDC-DC變換器的分析與設(shè)計(jì),中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28〔3:60-65.[7]ChenF,CaiXS.DesignofFeedbackControlLawsforSwitchingRegulatorsBasedontheBilinearLargeSignalModel[J].IEEETransactionsonPowerElectronics.1990,236-240.[8]蘇彩虹,陸益民,朱學(xué)鋒.DC/DC變換器的變結(jié)構(gòu)控制策略[J].XX科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,6：169-172.[9]XX,丑武勝.DC/DC升壓變換器PI自適應(yīng)串級(jí)控制[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2003,8:345-347.[10]XX,史永麗.DC/DC升壓變換器自適應(yīng)PID串級(jí)控制系統(tǒng)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004,5:1013-1016.選題是否合適：是□否□課題能否實(shí)現(xiàn)：能□不能□指導(dǎo)教師〔簽字年月日選題是否合適：是□否□課題能否實(shí)現(xiàn)：能□不能□審題小組組長(zhǎng)〔簽字年月日摘要BUCK電路是一種降壓斬波器,降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸出電壓UD。通常電感中的電流是否連續(xù),取決于開關(guān)頻率、濾波電感L以及電容C的數(shù)值。簡(jiǎn)單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定,會(huì)受到負(fù)載和外部的干擾,加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過采樣環(huán)節(jié)得到所需電壓/電流信號(hào),再與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,然后通過閉環(huán)控制器得到反饋信號(hào),與三角波進(jìn)行比較,得到調(diào)制后的開關(guān)波形,將其作為開關(guān)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)。Buck電路的閉環(huán)控制有電壓環(huán)控制、電流環(huán)控制以及二者結(jié)合的雙閉環(huán)控制,此處采用雙閉環(huán)控制：電流內(nèi)環(huán),電壓外環(huán)。根據(jù)相關(guān)的電路設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)電路進(jìn)行校正,提高電路系統(tǒng)輸出性能。本文首先概述了開關(guān)電源技術(shù)及DC/DC變換器控制方法的發(fā)展趨勢(shì),接著介紹了BUCK變換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及控制原理。最后進(jìn)行了Buck變換器雙閉環(huán)控制的仿真研究,其中首先介紹了電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)和電壓外環(huán)結(jié)構(gòu),然后利用Matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：Buck變換器；建模與仿真；雙閉環(huán)控制；MATLABABSTRACTBUCKcircuitisastep-downchopper,whoseconverteroutputvoltageUoisalwayslowerthantheaverageoutputvoltageUD.Whetherthecurrentintheinductoriscontinuousdependsonthevalueoftheswitchingfrequency,thefilterinductanceLandcapacitanceCgenerally.SimpleunstableBUCKcircuitvoltagesubjectstoelectricburdenandoutsideinterference,addingthecompensationnetwork,thus,enablingclosed-loopcontrol.Obtainedbysamplingpartoftherequiredvoltage/currentsignal,comparedwithareferencevalueagain,thengetthefeedbacksignalbytheclosedloopcontroller,withthetriangularwave.Icomparedtoobtainamodulatedswitchingwaveformwiththetriangularwaveasaswitchingsignaltoachieveaclosed-loopcircuitBUCKcontrolsystem.Theclosed-loopcontrolofBuckcircuithasthevoltageloopcontrol,thecurrentloopcontrolandthedoubleclosed-loopcontrol,doubleclosed-loopcontrolisusedhere:currentinnerloopcontrolandvoltageouterloopcontrol.Accordingtotherelevantcircuitdesignappropriatecompensationnetworktocorrectthecircuit,soastoimprovetheoutputperformanceofthecircuitsystem.ThispaperfirstsummarizestheSwitchingModePowerSupplytechnologyandthedevelopmenttrendofDC/DCconvertercontrolmethod,thenintroducestheBUCKconvertercircuitstructure,workingprincipleandcontrolprinciple.Finally,thesimulationresearchonthedoubleclosed-loopcontrolofbuckconverter,whichfirstintroducedthecurrentinnerloopandvoltageouterloopstructure,andthensimulatethembyMATLAB.Keyword：Buckconverter；modelingandsimulation；doubleclosed-loopcontrol；MATLAB.目錄第一章緒論11.1課題研究背景11.2課題發(fā)展現(xiàn)狀11.3本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)3第二章Buck變換器基本原理42.1Buck變換器工作原理42.2Buck變換器工作模態(tài)分析42.3Buck變換器外特性7第三章Buck變換器主電路設(shè)計(jì)93.1占空比D93.2濾波電感Lf93.3濾波電容Cf113.4開關(guān)管Q113.5續(xù)流二極管D12第四章Buck變換器雙閉環(huán)控制134.1電路雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)134.2電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)134.3電壓外環(huán)設(shè)計(jì) 15.第五章Buck變換器閉環(huán)系統(tǒng)的仿真215.1開環(huán)Buck電路的建模及仿真215.2閉環(huán)Buck電路的建模及仿真225.3PI控制方法的仿真235.4PID控制方法的仿真25第六章總結(jié)與展望25參考文獻(xiàn)29外文資料中文譯文致謝.第一章緒論1.1課題研究背景隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,電子設(shè)備的種類越來越多,電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源,它們對(duì)電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓技術(shù)比較成熟,并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊,具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大,需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在50Hz的工頻上,所以其重量較大。又因?yàn)檎{(diào)整管工作在線性放大狀態(tài),為了保證輸出電壓穩(wěn)定,其集電極與發(fā)射極之間需承受較大的電壓差,導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大,電源效率很低,一般只有45%左右[1]。受這些缺點(diǎn)的限制,線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代,美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo),開發(fā)了開關(guān)電源。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應(yīng)用[2],各種電池供電的電子產(chǎn)品如照相機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、手機(jī)、手提電腦都需要DC/DC變換器等開關(guān)電源芯片[3]。20世紀(jì)80年代,計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源化,率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代,開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。對(duì)于非隔離的DC/DC開關(guān)電源,按照電路功能劃分,有降壓式〔BUCK、升壓式〔BOOST,還有升降壓式〔BUCK-BOOST等。其中品種最多,發(fā)展最快的當(dāng)屬降壓式〔BUCK[4]。開關(guān)電源技術(shù)于20世紀(jì)80年代引入我國(guó),隨著計(jì)算機(jī)、通訊、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展,我國(guó)開關(guān)電源市場(chǎng)不斷增長(zhǎng),開關(guān)電源控制器芯片的研究已成為國(guó)內(nèi)功率電子學(xué)領(lǐng)域中頗受關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)目前能源緊缺,而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè),因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源產(chǎn)品時(shí),轉(zhuǎn)換效率必須作為一個(gè)重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用3.6V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)不斷擴(kuò)大,且功能和性能變得更多和更高,對(duì)適用于這類產(chǎn)品的BUCK變換器的性能提出了更高的要求。因此研究BUCK變換器的性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[5][6]。1.2課題發(fā)展現(xiàn)狀DC/DC變換器是一種強(qiáng)非線性系統(tǒng),由于電氣參數(shù)的不確定性以及負(fù)載的多變性,使得DC/DC變換器的控制變得較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論,很難實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)性能。于是,進(jìn)一步的研究在于對(duì)系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型和采用先進(jìn)的控制算法。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,出現(xiàn)了許多DC/DC變換器新的控制方法以提高系統(tǒng)性能。例如：<1>雙線性理論；<2>魯棒控制；<3>滑模變結(jié)構(gòu)控制；<4>自適應(yīng)控制；<5>智能控制。這些新控制方法的提出,使DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零,動(dòng)態(tài)性能獲得很大改善,而且對(duì)參數(shù)的不確定性和負(fù)載的多變性也有很好的魯棒性。1、雙線性理論此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng),能夠取得較好的控制效果。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用此模型對(duì)Boost電路進(jìn)行閉環(huán)控制,不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量,而且實(shí)現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應(yīng)。此方法一般適用于兩個(gè)狀態(tài)變量以上的DC/DC變換器拓?fù)?。但這種控制方案的缺點(diǎn)是忽略了輸入電壓擾動(dòng),若輸入電壓擾動(dòng)不為零,將會(huì)影響系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[7]。2、魯棒控制魯棒控制是處理外加擾動(dòng)和不確定性模型的有力工具,基于DC/DC變換器的線性化小信號(hào)建模。文獻(xiàn)[8]中提出了兩個(gè)自由度控制的設(shè)計(jì)思想,來實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器的魯棒控制。它能夠?qū)ω?fù)載和輸入電壓的變化保證充足的魯棒性。雖然魯棒控制解決了輸入電壓變化的問題,但其線性化小信號(hào)建模精確度不高,而且控制器結(jié)構(gòu)不可變,下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制,這兩種控制能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制效果[8]。3、滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)理論由前蘇聯(lián)學(xué)者歐曼爾揚(yáng)諾夫<S.V.Emelyanov>、尤特金<V.I.Utkin>于20世紀(jì)50年代提出并發(fā)展至今?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性,它使得系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)下不僅保持對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性,而且可以獲得較為滿意的動(dòng)態(tài)性能。因此,它特別適用于DC/DC變換器這樣的非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。4、自適應(yīng)控制20世紀(jì)50年代初提出的自適應(yīng)控制方法是根據(jù)響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調(diào)整響應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化,最終使響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)同步。文獻(xiàn)[9]、[10]分別提出了PI自適應(yīng)串級(jí)控制和自適應(yīng)PID串級(jí)控制,并很好地應(yīng)用于DC/DC升壓變換器中。此外,逆向自適應(yīng)控制,雙環(huán)自適應(yīng)控制和模型參考自適應(yīng)控制等均已成功用于DC/DC變換器。這些控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制器結(jié)構(gòu)靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,并對(duì)參數(shù)變化具有很好的魯棒性。但由于其設(shè)計(jì)需要在線估計(jì)或辨識(shí)參數(shù),導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)困難,而且存在實(shí)時(shí)性問題。自適應(yīng)控制與其它控制方法以及智能控制相結(jié)合可以避免這些問題并得到更好的控制效果[9][10]。5、智能控制智能控制是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略。這些方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有很好的魯棒性,因此用于DC/DC變換器的控制中,可以簡(jiǎn)化非常復(fù)雜的建模問題而更適于實(shí)際應(yīng)用[11]。1.3論文結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容第一章為緒論部分。首先闡述了課題研究的背景和意義,然后總結(jié)了當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,最后簡(jiǎn)要交代了本論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第二章介紹了Buck變換器技術(shù),其中詳細(xì)分析了Buck變換器的基本工作原理,接著分析了Buck變換器的工作模態(tài)和外特性。第三章介紹了Buck變換器的主電路設(shè)計(jì)。第四章分析了Buck變換器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),從電流內(nèi)環(huán)到電壓外環(huán),依次分析設(shè)計(jì)。第五章利用Simulink對(duì)Buck變換器進(jìn)行仿真。第六章總結(jié)與展望。本章對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié),提出不足和仍需完成的工作。第二章Buck變換器基本原理2.1Buck變換器工作原理Buck電路是由一個(gè)功率晶體管開關(guān)Q與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的,其電路如圖2.1。驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ub周期地控制功率晶體管Q的導(dǎo)通與截止,當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),若忽略其飽和壓降,輸出電壓Uo等于輸入電壓；當(dāng)晶體管截止時(shí),若忽略晶體管的漏電流,輸出電壓為0。電路的主要工作波形如圖2.2[12]。圖2.1Buck變換器電路圖2.2Buck變換器的主要工作波形2.2Buck變換器工作模態(tài)分析在分析Buck變換器之前,做出以下假設(shè)：①開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；②電感、電容均為理想元件；③電感電流連續(xù)；④當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí),可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。在一個(gè)開關(guān)周期中,變換器有2種開關(guān)模態(tài),其等效電路如圖2.3和圖2.4所示。：圖2.3[t0~t1]的等效電路圖2.4[t1~t2]的等效電路各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下開關(guān)模態(tài)0[t0~t1]圖2.5對(duì)應(yīng)圖2.3[t0~t1]時(shí)刻。在t0時(shí)刻,開關(guān)管Q恰好開通,二極管D截止。此時(shí)：〔2-1電感中的電流線性上升,式2-1可寫成：〔2-2圖2.5[t0~t1]的主要工作波形開關(guān)模態(tài)1[t1~t2]圖2.6對(duì)應(yīng)圖2.4[t1~t2]時(shí)刻。在t1時(shí)刻,開關(guān)管Q恰好關(guān)斷,二極管D導(dǎo)通。此時(shí)：〔2-3電感中的電流線性下降,式2-3可寫成：〔2-4式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)時(shí),,聯(lián)解式2-2與式2-4可得：〔2-5輸出電流平均值：〔2-6圖2.6[t1~t2]的主要工作波形2.3Buck變換器外特性在恒定占空比下,變換器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系Uo=f<io>稱為變換器的外特性。式2-5表示了電感電流連續(xù)時(shí)變換器的外特性,輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí),可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。圖2.7為電感電流斷續(xù)時(shí)電流波形圖。由式2-2與式2-4可知,當(dāng)輸入電壓和輸出電壓一定時(shí),為常數(shù)。由式2-6可見,當(dāng)負(fù)載電流減少到時(shí),,此時(shí)最小負(fù)載電流,即為電感臨界連續(xù)電流：〔2-7由式2-2及式2-5得,帶入式2-7得：〔2-8由上式可見,臨界連續(xù)電流與占空度的關(guān)系為二次函數(shù),當(dāng)D=1/2時(shí),臨界連續(xù)電流達(dá)到最大值：〔2-9當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí),即在Toff結(jié)束前續(xù)流二極管的電流已下降到0,此時(shí)輸出的平均電流為：〔2-10式中,為開關(guān)管關(guān)斷后電感電流持續(xù)的時(shí)間,并且：〔2-11穩(wěn)態(tài)時(shí),,由式2-11得：〔2-12將式2-11及式2-12帶入式2-10得：〔2-13即：〔2-14圖2.7電感電流斷續(xù)時(shí)電流波形可見在電流斷續(xù)區(qū),輸出電壓與輸入電壓之比不僅與占空比有關(guān),而且與負(fù)載電流有關(guān)[13][14]。第三章Buck變換器主電路設(shè)計(jì)3.1占空比D根據(jù)Buck變換器的性能指標(biāo)要求及Buck變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍：〔3-13.2濾波電感Lf〔1濾波電感量Lf計(jì)算變換器輕載時(shí),如果工作在電流連續(xù)區(qū),那么為了保持一定的輸出電壓,占空比大為減小,也就是說開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很短。如果這個(gè)時(shí)間小于開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間與最小控制時(shí)間之和,變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大,因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以,以最小輸出電流Iomin作為電感臨界連續(xù)電流來設(shè)計(jì)電感,即。在Q關(guān)斷時(shí),由式2-4得：〔3-2由Lf≥Lf<min>,取Lf=360uH。〔2濾波電感Lf設(shè)計(jì)①的電流時(shí)單向流動(dòng)的,流過繞組的電流具有較大的直流分量,并疊加一個(gè)較小的交流分量,屬于第三類工作狀態(tài)。因此磁芯最大工作磁密可以選的很高,接近于飽和磁密；②的電流最大值為；〔3-3③初選磁芯大小。初步選擇TOKIN公司的FEER42磁芯,其有效導(dǎo)磁面積；④初選一個(gè)氣隙大小,以計(jì)算繞組匝數(shù)。取氣隙,由式子得：〔3-4取N=4匝；⑤核算磁芯最高工作磁密Bm。由下式計(jì)算得：〔3-5FEER42磁芯的材質(zhì)為2500B,其飽和磁密為,顯然,符合要求。⑥計(jì)算繞組的線徑。輸出濾波電感電流有效值的最大值,取電流密度為,用線徑為的漆包線,則需要其根數(shù)為：〔3-6取根。⑦核算窗口面積。當(dāng)用26根由線徑為的漆包線來繞制時(shí),其總的面積為：〔3-7取填充系數(shù),則需要磁芯的窗口面積為：〔3-8手冊(cè)表明,FEER42的窗口面積為,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需窗口面積,因此可以繞下。⑧從前面的分析中可知,用FEER42磁芯來繞制輸出濾波電感是合理的。綜上,由于FEER42較常用,一般都選用該種磁芯；同時(shí)工作磁密遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飽和磁密,其鐵損非常小。3.3濾波電容Cf〔1濾波電容量Cf計(jì)算在開關(guān)變換器中,濾波電容通常是根據(jù)輸出電壓的紋波要求來選取。該Buck變換器的輸出電壓紋波要求Vout<p-p><25mv。若設(shè),即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量,電容在時(shí)間間隔內(nèi)充放電,電容充電的平均電流：〔3-9電容峰峰值紋波電壓為：〔3-10因此,得：〔3-11取,D=0.4時(shí),Cf的值最大。即：〔3-12由Cf≥Cf<max>得,取Cf=10uF?！?濾波電容的耐壓值輸出濾波電容的耐壓值決定于輸出電壓的最大值,一般比輸出電壓的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。由于最大輸出電壓為24V,則電容的耐壓值為24V?！?濾波電容的選取由輸出濾波電容的電容量Cf=4.7uF,耐壓值為24V,留有一定的裕量,則選取10uF/50V電容。3.4開關(guān)管Q該電路的輸入電壓是30V~60V,則開關(guān)管耐壓值為60V,電流的最大值為〔3-13其開關(guān)頻率為,因此選用的MOSFET管MTD6N15T4G,其額定值為。3.5續(xù)流二極管D續(xù)流二極管所承受的最大反向電壓為Vin=60V；在時(shí),二極管電流的有效值為〔3-14續(xù)流二極管的工作頻率為f=200KHz?？紤]一定的裕量,選用肖特基二極管SR150-1,其電壓和電流額定值為：120V/2A。第四章Buck變換器雙閉環(huán)控制4.1電路雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4.1。iL*iL*-+GvUo*+iL1/RUoKPWMGi<1/SC>//Rc-+1/SL-+-圖中Gv、Gi網(wǎng)絡(luò)傳函需根據(jù)各環(huán)傳函的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的零極點(diǎn)以及增益值,使系統(tǒng)傳函達(dá)到我們的目標(biāo)函數(shù)。下面對(duì)電路進(jìn)行分析,從電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)到電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)。4.2電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)先不考慮電壓環(huán),則電流內(nèi)環(huán)框圖如下圖4.2。iLiL*iL+KPWMGi1/SL-UD圖4.2電流內(nèi)環(huán)控制框圖未加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gi校正時(shí),電路的開環(huán)傳函為〔4-1其中,畫出其幅頻特性與相頻特性曲線圖,如圖4.3.圖4.3未加補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)傳函伯德圖由分析可知,積分環(huán)節(jié)的幅頻特性為一斜率為-20dB的曲線圖,含一零極點(diǎn)。相頻特性為-90度平行線。為了使電流環(huán)能迅速跟蹤基值變化,加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)將之前的積分環(huán)節(jié)變成如下特性曲線。圖4.4計(jì)劃加入補(bǔ)償后的伯德圖圖中,含A、B兩轉(zhuǎn)折點(diǎn),設(shè)定A處角頻率〔4-2〔4-3B處角頻率〔4-4根據(jù)這些條件,我們可以推出所加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳函〔4-5加入了補(bǔ)償環(huán)節(jié)后,系統(tǒng)的開環(huán)傳函為〔4-6由可解得,代入各數(shù)值,畫出此時(shí)電路的幅頻特性以及相頻特性圖,如圖4.5。圖4.5校正后系統(tǒng)傳函伯德圖4.3電壓外環(huán)設(shè)計(jì)電壓環(huán)控制框圖如下。iLiL*-+GvUo*iLUoG’i<S><1/SC>//Rc圖4.6電壓環(huán)控制框圖設(shè)計(jì)電壓環(huán)時(shí),我們也希望將其開環(huán)特性設(shè)計(jì)成如下曲線。圖4.7計(jì)劃所要設(shè)計(jì)的電壓環(huán)〔曲線3上圖中,曲線3為我們?cè)O(shè)計(jì)所要達(dá)到的電壓環(huán)特性曲線,盡量做到D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率小于A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率。為在設(shè)計(jì)電壓環(huán)之前,先看一個(gè)問題,由之前的電流開環(huán)可求出電流閉環(huán)傳函,〔4-7其伯德圖如下,圖4.8電流閉環(huán)傳函伯德圖實(shí)際上在B點(diǎn)之前,對(duì)于電壓環(huán)而言,電流環(huán)等效于增益為1、相角為0的環(huán)節(jié),這樣,在設(shè)計(jì)電壓環(huán)時(shí),便可對(duì)電流閉環(huán)作一簡(jiǎn)化,將其等效為一比例環(huán)節(jié),增益為1。電壓環(huán)未加入補(bǔ)償時(shí),電路開路傳函為〔4-8該傳函頻率特性曲線如下圖,圖4.9未加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)電壓開環(huán)傳函伯德圖圖4.9中,幅頻特性中包含一個(gè)極點(diǎn),〔4-9包含一個(gè)零點(diǎn),〔4-10根據(jù)圖4.7中的曲線3以及4.9中的幅頻特性曲線,可推測(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳函形式：〔4-11零點(diǎn)由大致確定,受到限制。具體參數(shù)需要通過Simulink仿真,觀察輸出電壓和電感電流波形找到滿足電路輸出要求的參數(shù)。在這里,取,,。作出該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的幅頻與相頻特性曲線圖。圖4.10電壓環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳函伯德圖加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后,整個(gè)電路系統(tǒng)的開環(huán)傳函,其特性曲線如下。圖4.11系統(tǒng)總的開環(huán)傳函第五章Buck變換器閉環(huán)系統(tǒng)的仿真5.1開環(huán)Buck電路的建模及仿真〔1在Simulink中搭建Buck電路的仿真模型,使用開關(guān)器件是MOSFET,如圖5.1所示。圖5.1開環(huán)Buck電路在MATLAB中模型圖5.2輸出電壓波形圖5.3輸出電流波形〔2將圖5.2、圖5.3仿真波形放大,觀察得到電路輸出電壓為11.2V,電流輸出為0.94A,顯然不滿足設(shè)計(jì)要求,在對(duì)濾波電感、電容進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：電感越小,超調(diào)越大,越穩(wěn)定；電容越小,超調(diào)越小,紋波越大。因此,需要在穩(wěn)定度,超調(diào)量,紋波電壓之間進(jìn)行折衷,對(duì)電感、電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此需要對(duì)電路進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié),本設(shè)計(jì)采用PI和PID兩種控制校正方式[15]。5.2閉環(huán)Buck電路的建模及仿真利用小信號(hào)模型,對(duì)Buck電路進(jìn)行建模,得到其開環(huán)傳遞函數(shù)為：〔5-1其中,Rc為濾波電容的ESR,Buck電路的紋波電壓,主要是由電容的寄生電阻ESR和電容容量決定,所以要想對(duì)電路紋波進(jìn)行比較精確地控制必須考慮寄生電阻的影響,而對(duì)于一般的電容,其C與寄生電阻Rc的乘積趨于常數(shù),約為。本例中取為。所以。代入數(shù)據(jù)得：〔5-2畫出其開環(huán)狀態(tài)下的伯德圖如下：圖5.4開環(huán)狀態(tài)下伯德圖輸入程序如下：>>num=[1.92e-3,24];>>den=[22.5e-8,2.5e-5,1];>>G=tf<num,den>;>>margin<G>>>grid由伯德圖可知,幅值穿越頻率為,相角穩(wěn)定裕。根據(jù)穩(wěn)定環(huán)路的準(zhǔn)則：一、幅頻曲線的穿越頻率范圍為開關(guān)頻率的1/5～1/4,因?yàn)楸疚乃x開關(guān)頻率為,而此時(shí)穿越頻率,顯然穿越頻率過大。二、系統(tǒng)的相位裕量至少要為45°,而此時(shí)相角穩(wěn)定裕度為45.4°,基本滿足要求。所以下面的工作主要考慮如何減小穿越頻率,從而達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。本文將從PI和PID兩種控制方法研究解決這個(gè)問題。5.3PI控制方法的仿真設(shè)計(jì)根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖并結(jié)合PI控制器的特點(diǎn)可知在系統(tǒng)中加上PI控制器可以減小系統(tǒng)的幅頻特性,相當(dāng)于整條幅頻特性曲線下移,從而達(dá)到減小穿越頻率的目的。它用積分代替了滯后網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)分母的慣性環(huán)節(jié),所以可以提高系統(tǒng)的誤差型別。又因?yàn)樗杏职肫矫娴拈_環(huán)零點(diǎn),可以緩和PI零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)足夠大,積分對(duì)系統(tǒng)的不利影響可大為減少,所以它可以在不明顯影響穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,減小甚至消除系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。除了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能外,PI控制器還可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,所以PI控制器的效果優(yōu)于滯后校正網(wǎng)絡(luò)。與之后校正網(wǎng)絡(luò)相同的是由于其復(fù)制的高頻衰減作用,它也使系統(tǒng)的響應(yīng)速度下降,這也是PI控制器的主要缺點(diǎn)[16][17]。下面給出具體的方法。PI控制器的傳遞函數(shù)為：〔5-3由系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)則知系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的穿越頻率取值范圍為4000～5000Hz,取開關(guān)頻率為4800Hz,根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖,其對(duì)應(yīng)的賦值為16dB。所以,,,取,所以對(duì)應(yīng)的PI參數(shù)P=0.16,I=10。在實(shí)際的調(diào)整過程中有對(duì)參數(shù)進(jìn)行了微調(diào),最終P=0.12,I=10。加上PI控制器后的電路模型如下：圖5.5加PI校正后仿真電路加入PI控制器后的輸出電壓、電流波形如下：圖5.6輸出電壓波形圖5.7輸出電流波形由圖可以看出紋波電壓為40mV,換載時(shí)有一定的尖峰電壓,但仍基本上滿足要求；換載前電流為0.994A,換載后電流為0.5A,換載前的電流有一點(diǎn)偏小,這是需要完善的地方。其他系統(tǒng)指標(biāo)要求也基本上達(dá)到要求,綜合幾方面的考慮,加入PI控制器這種方法切實(shí)可行,取得了預(yù)期的效果。下面又對(duì)PID控制方法進(jìn)行了探索,希望能得到更好的控制精度。5.4PID控制方法的仿真設(shè)計(jì)上一部分PI控制方法雖然基本上達(dá)到了控制要求,但仍有不足之處,下面嘗試用PID控制策略使其達(dá)到更理想的控制要求。PID控制就是指校正環(huán)節(jié)采用這種形式的比例積分微分環(huán)節(jié)。本文采用湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù),湊試法是通過模擬〔或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)〔例如,階躍響應(yīng)曲線,然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響,反復(fù)湊試參數(shù),以達(dá)到滿意的響應(yīng),從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng),這有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩,使穩(wěn)定性變壞。減小有利于加快系統(tǒng)響應(yīng),使超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加,但對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力將減弱。[18]在湊試時(shí),可參考以上參數(shù)分析控制過程的影響趨勢(shì),對(duì)參數(shù)進(jìn)行先比例,后積分,再微分的整定步驟。其具體步驟如下：首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小調(diào)大,并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng),直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi),并且響應(yīng)曲線已屬滿意,那么只需要用比例調(diào)節(jié)器即可,最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。當(dāng)僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù),控制精度還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí),則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí),首先置積分常數(shù)為一個(gè)較小值,經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會(huì)略為增大〔如增大20%,然后增大積分常數(shù),使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下,靜差得到消除。在此過程中,可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)修改比例系數(shù)和積分常數(shù),直至得到滿意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。應(yīng)該指出,在整定中參數(shù)的選定不是惟一的。事實(shí)上,比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。[19]從應(yīng)用角度來看,只要被控制過程的主要性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,那么比例、積分和微分參數(shù)也就確定了。最終得到的一組較理想的參數(shù)為P=2.2,I=88,D=0.001。加入PID控制器的電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如下：圖5.8加PID校正后仿真電路輸出電壓、電路波形如下：圖5.9輸出電壓波形圖5.10輸出電流波形由輸出電壓、電流波形知,各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了較高的控制精度。PID控制方法也有很多不足之處,而且PID參數(shù)的選取過程中花費(fèi)了大量的時(shí)間,還有其它更好的選取方法值得我去借鑒,這將在以后的學(xué)習(xí)過程中去實(shí)施。第六章總結(jié)與展望近年來,DC/DC開關(guān)變換器以其轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。開關(guān)變換器的總體發(fā)展趨勢(shì)為：高效率、低壓大電流、智能化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化工作等。本文研究了BUCK型DC/DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理,分析了PID雙閉環(huán)控制,并對(duì)其雙閉環(huán)控制進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過本次課題的研究與實(shí)踐,使我得到了進(jìn)一步的鍛煉,加深了電力電子方面的知識(shí)。由于本人水平及經(jīng)驗(yàn)的限制,本次設(shè)計(jì)還有很多不到位的地方,值得我在今后的學(xué)習(xí)研究中去完善,主要有以下幾個(gè)方面：研究DC/DC變換器的其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并將各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)做比較。研究Buck變換器其它的現(xiàn)代控制方法,了解它們的結(jié)構(gòu)和原理。進(jìn)一步提高M(jìn)atlab軟件的應(yīng)用水平,為仿真與設(shè)計(jì)更多電路打下良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1]劉樹林.輸出本質(zhì)安全型Buck-BoostDC-DC變換器的分析與設(shè)計(jì),中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28<3>:60-65.[2]馬麗梅.Buck-boostDC-DC變換器的控制,XX工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37<4>:101-105.[3]劉樹林.Buck-Boost變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析,電子學(xué)報(bào),2007,20<5>:838-843.[4]彭力.新型大功率升降壓型DC-DC變換器控制研究,船電技術(shù),1999,3<1>:26-28.[5]鐘久明

.Buck-Boost變換器的本質(zhì)安全特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),XX科技大學(xué)碩士學(xué)位論文

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Atthispointweshouldalsomentionthatthereisanothermethodofcontrol–feedforward.Withfeedforwardcontrol,acontrolsignalisdevelopeddirectlyinresponsetoaninputvariationorperturbation.Feedforwardislessaccuratethanfeedbacksinceoutputsensingisnotinvolved,however,thereisnodelaywaitingforanoutputerrorsignaltobedeveloped,andfeedforwardcontrolcannotcauseinstability.Itshouldbeclearthatfeedforwardcontrolwilltypicallynotbeadequateastheonlycontrolmethodforavoltageregulator,butitisoftenusedtogetherwithfeedbacktoimprovearegulator’sresponsetodynamicinputvariations.ThebasisforfeedbackcontrolisillustratedwiththeflowdiagramofFig.3wherethegoalisfortheoutputtofollowthereferencepredictablyandfortheeffectsofexternalperturbations,suchasinputvoltagevariations,tobereducedtotolerablelevelsattheoutput.Fig.3.FlowgraphoffeedbackcontrolWithoutfeedback,thereference-to-outputtransferfunctiony/uisequaltoG,andwecanexpresstheoutputasWiththeadditionoffeedback<actuallythesubtractionofthefeedbacksignal>andthereference-to-outputtransferfunctionbecomesIfweassumethatGH1,thentheoveralltransferfunctionsimplifiestoNotonlyisthisresultnowindependentofG,itisalsoindependentofalltheparametersofthesystemwhichmightimpactG<supplyvoltage,temperature,componenttolerances,etc.>andisdeterminedinsteadsolelybythefeedbacknetworkH<and,ofcourse,bythereference>.NotethattheaccuracyofH<usuallyresistortolerances>andinthesummingcircuit<erroramplifieroffsetvoltage>willstillcontributetoanoutputerror.Inpractice,thefeedbackcontrolsystem,asmodeledinFig.4,isdesignedsothatGHandGH1overaswideafrequencyrangeaspossiblewithoutincurringinstability.WecanmakeafurtherrefinementtoourgeneralizedpowerregulatorwiththeblockdiagramshowninFig.5.Herewehaveseparatedthepowersystemintotwoblocks–thepowersectionandthecontrolcircuitry.Thepowersectionhandlestheloadcurrentandistypicallylarge,heavy,andsubjecttowidetemperaturefluctuations.Itsswitchingfunctionsarebydefinition,large-signalphenomenon,normallysimulatedinmoststabilityanalysesasjustatwostateswitchwithadutycycle.Theoutputfilterisalsoconsideredasapartofthepowersectionbutcanbeconsideredasalinearblock.Fig.4.ThegeneralpowerregulatorIV.THEBUCKCONVERTERThesimplestformoftheabovegeneralpowerregulatoristhebuck–orstepdown–topologywhosepowerstageisshowninFig.5.Inthisconfiguration,aDCinputvoltageisswitchedatsomerepetitiverateasitisappliedtoanoutputfilter.ThefilteraveragesthedutycyclemodulationoftheinputvoltagetoestablishanoutputDCvoltagelowerthantheinputvalue.Thetransferfunctionforthisstageisdefinedby=switchon-timeT=repetitiveperiod<1/fs>D=dutycycleFig.5.Thebuckconverter.Sinceweassumethattheswitchandthefiltercomponentsarelossless,theidealefficiencyofthisconversionprocessis100%,andregulationoftheoutputvoltagelevelisachievedbycontrollingthedutycycle.Thewavefo