BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 20V 10V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計 說 明 書課程設(shè)計名稱: 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)計任務(wù)書二級學(xué)院(直屬學(xué)部): 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè): 電氣工程及其自動化 班級: 所屬組號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 內(nèi) 容1、根據(jù)設(shè)計要求計算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，設(shè)計雙極點-雙零點補償網(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

2、負載以及突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形。4、撰寫課程設(shè)計說明書，要求包括： 一、封面 二、任務(wù)書 三、目錄 四、正文1、BUCK電路基本原理2、主電路參數(shù)設(shè)計 設(shè)計內(nèi)容及要求、主電路設(shè)計（占空比、濾波電感、濾波電容的設(shè)計）3、BUCK開關(guān)電源方案設(shè)計 閉環(huán)系統(tǒng)框圖，各模塊設(shè)計方法（包括雙極點雙零點補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計）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，含負載擾動情況下 的仿真波形5、總結(jié)（含心得體會）6、參考文獻（不少于6篇）指標（目標）要求1、 輸入直流電壓(Vin)：20V2、 輸出電壓(Vo)：10V3、 負載電阻：4、

3、輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV ，電感電流脈動：輸出電流的10%5、 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7、 采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。進程安排第1天 閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，熟悉設(shè)計要求和設(shè)計方法第2天 根據(jù)設(shè)計原理計算相關(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)

4、試，記錄要求測量波形第5天 撰寫課程設(shè)計說明書主要參考文獻1、 電力電子系統(tǒng)建模及控制，徐德洪，機械工業(yè)出版社2、 開關(guān)變換器的建模與控制，張衛(wèi)平，中國電力出版社3、 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真林飛，中國電力出版社，20094、 電力電子課程設(shè)計指導(dǎo)書 本院編；5、 電力電子技術(shù)應(yīng)用教程，蔣渭忠，電子工業(yè)出版社地點秋A404起止 日期目錄一、課題背景1 1、buck電路的工作原理1二、課題設(shè)計要求2三、課題設(shè)計方案21、系統(tǒng)的組成22、主電路部分的設(shè)計33、閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計44、閉環(huán)系統(tǒng)的仿真8四、總結(jié)及心得體會13五、參考文獻14附錄15一、課題背景 1、buck電路的工作原理 Buc

5、k電路是由一個Mosfet S與負載串聯(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)動信號周期地控制mosfet S的導(dǎo)通與截止，通過改變驅(qū)動信號的占空比D，來改變輸出電壓Uo。當電路中上管導(dǎo)通時，源極電壓等于輸入電壓，因此驅(qū)動管的柵極電壓=Vin+Vgs，IC不能直接驅(qū)動，IC內(nèi)部將上管的驅(qū)動路采用浮地的方式，外接自舉電容組成偏置電路來驅(qū)動上管。根據(jù)開關(guān)管的通斷狀態(tài)列基爾霍夫電壓方程： 當開關(guān)管導(dǎo)通時： （1-1） 當開關(guān)管關(guān)斷時： （1-2）2. BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用自從20世紀70年代，用高頻開關(guān)電源取代線性調(diào)

6、節(jié)器式電源以來，高頻開關(guān)電源得到了很大的發(fā)展。40多年來，高頻開關(guān)電源的技術(shù)進步和發(fā)展歷程有三大標志：功率半導(dǎo)體開關(guān)器件用功率場效應(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)是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種電力電子電源技術(shù)。可以說，凡是用電的電子設(shè)備沒有不用開關(guān)電源的，如家用電器中的電視機、個人計算機、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、交流電動機的變頻調(diào)速電源、便攜式電子設(shè)備的電源等，都要使用高

7、頻開關(guān)電源。這些電源功率通常僅有幾十瓦至幾百瓦。手機等移動電子設(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、巨型計算機等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達數(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)控機床、自動化流水線中，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)電源最終的供電對象基本都是電子電路，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，功率可達幾十至幾百千瓦。在X光機、微波發(fā)射器、雷達等設(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)計要求 1、輸入直流電壓(Vin)：20

8、V 2、輸出電壓(Vo)：10V 3、負載電阻： 4、 輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV ，電感電流脈動：輸出電流的10% 5、開關(guān)頻率(fs)：100kHz 6、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 7、采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。三、課題設(shè)計方案1、系統(tǒng)的組成 1.1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖3.1.1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整個BUCK電路包括:Gc(S)為補償器，Gm（S）PWM

9、控制器，Gvd（S）開環(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)生的偏差通過補償器校正后來調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比，當占空比發(fā)生變化時，輸出電壓Uo做成相應(yīng)調(diào)整來消除偏差。 （2）系統(tǒng)傳函框圖2、主電路部分的設(shè)計 2.1 電容等效電阻RC和濾波電感C的計算Buck變換器主電路如圖3.2.1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的計算開關(guān)管閉合與

10、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)，可得L=99.64H，取L=100H3、閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 BUCK變換器原始回路傳函的計算其中為鋸齒波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)，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Vm=3V,H(S)=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100m，L=100uH，R=2歐代

11、入傳函表達式，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償網(wǎng)絡(luò)校正。3.2 雙極點雙零點補償控制器的設(shè)計有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)電路如圖3.2.1所示圖3.2.1 有源超前滯后補償網(wǎng)絡(luò)電路補償器的傳遞函數(shù)為：式（3-2）有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個零點.三個極點。零點為： ，極點為： 為原點， ,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：考慮達到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取 ( 開

12、關(guān)頻率)開環(huán)傳遞函數(shù) 的極點頻率為 ,將 兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳函 兩個相近極點頻率的 ，則：將補償網(wǎng)絡(luò) 兩個極點設(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的值進而可得到依據(jù)上述方法計算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：計算過程可通過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3.2.2，圖3.2.3 圖3.2.2 補償器的傳遞函數(shù)Gc（s）伯德圖圖3.2.3 閉環(huán)傳遞函數(shù)G（s）伯德圖得到相角裕度90.6°，符合要求。進過計算最終可得：R1=3.7942*106R3=1.1025*104C1=5.472*

13、10-8 FC2=1.5962*10-10 FC3=1.4436*10-10 F進而可得到 式（3-3）根據(jù)Gc(S) 確定Kp，ki,kd的值。依據(jù)上述方法計算后，Buck變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)： 式（3-4）4、閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 用Matlab繪制Buck電路雙極點-雙零點控制系統(tǒng)的仿真圖如圖4.1圖4.1 Buck電路雙極點-雙零點控制系統(tǒng)的仿真圖4.1 不加任何干擾時閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 （1）對閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真（不含干擾負載），并記錄波形，經(jīng)過調(diào)試，設(shè)置傳輸延遲(Transport Delay)的時間延遲(Time Delay)為0.0001，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper

14、 saturation limit)為1.488，下限為1.480，絕對誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為70kHz，幅值為3.66V的鋸齒波。(2) 設(shè)置仿真時間為0.05s，采用ode23算法，設(shè)變步長1e-7。 不加干擾時BUCK電路閉環(huán)仿真電流及其局部放大波形如圖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

15、-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 加干擾時閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形。其中采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)負載的突加、突卸，負載突加突卸的脈沖信號幅值為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%額定負載時的輸出電壓和負載電流的波形如圖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

16、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，擾動消失后能很開恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，最大值為10.002V，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，擾動消失后能很開恢復(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)及心得體會這次電力電子的課程設(shè)計是以Buck開關(guān)電

17、源為研究對象，學(xué)做了一個有關(guān)BUCK開關(guān)電源電壓型雙極點雙零點補償器控制的仿真研究。本次課程設(shè)計是針對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，buck電路的閉環(huán)設(shè)計及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)計主要取得了如下成果：掌握了一定的電力電子建模知識、開關(guān)變換器的建模知識；對PID控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認識；熟練運用Matlab的仿真軟件；對開關(guān)電源的用途、現(xiàn)狀與發(fā)展有了新的體會。 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、雙零點補償?shù)腜ID控制器，增設(shè)的兩個零點補償由于Buck變換器的雙

18、極點造成的相位滯后，其中一個極點可以抵消變換器的ESR零點，另一個極點設(shè)置在高頻段，可以抑制高頻噪聲。仿真時先對不加任何干擾時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，之后進行系統(tǒng)在突加、突卸80%額定負載時的仿真，這時系統(tǒng)將得到一個波動的干擾影響輸出電壓電流，得到的波形也是有個穩(wěn)定周期地擾動的。本次課程設(shè)計是對本學(xué)期學(xué)習的一個檢驗，把理論的運用到應(yīng)用中。實驗過程中遇到難點，通過查資料豐富了自己的知識，本次實驗學(xué)會了使用Matlab仿真軟件，全英文的軟件，感受到英語不好的憂傷，不過matlab是很強大的，通過它檢測了閉環(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)計雖然沖忙，但也學(xué)到的很多課堂上學(xué)不到的知識，實踐出真理，既鞏固了之前所學(xué)的知識，也鍛煉了自身的動手能力，還學(xué)到了不少新的知識，一舉三得。五、參考文獻1、電力電子系統(tǒng)建模及控制，徐德洪，機械工業(yè)出版社2、開關(guān)變換器的建模與控制，張衛(wèi)平，中國電力出版社3、開關(guān)電源技術(shù)教程，張占松，機械工業(yè)出版社4、電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真林飛，中國電力出版