電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-48V12V

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)名稱：電力電子技術(shù)題目：BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-48V/12V 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(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-20V/8V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)載電流的波形指標(biāo)要求：1、輸入直流電壓(VIN)：48V，輸出電壓(VO)：12V，輸出電壓紋波峰-峰值Vpp≤50mV2、負(fù)載電阻：R=1Ω，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)關(guān)頻率(fs)=100kHz3、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD，電感中的電阻壓降VL，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75μΩ*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，占空比為2%，相位延遲進(jìn)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(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天撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書起止日期日目錄第一章課題背景 1電路的工作原理 11.2BUCK開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用 2第二章課題設(shè)計(jì)要求 52.1課題設(shè)計(jì)內(nèi)容 52.2課題設(shè)計(jì)指標(biāo)要求 5第三章課題設(shè)計(jì)方案 63.1系統(tǒng)的組成 6主電路部分的設(shè)計(jì) 7閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8開(kāi)環(huán)原始傳遞函數(shù)的計(jì)算 8雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì) 93.4.1有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 9補(bǔ)償器的傳遞函數(shù) 9伯德圖及相角裕量 11閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 12傳遞函數(shù) 123.5.2仿真結(jié)果 12第四章總結(jié)及心得體會(huì) 16參考文獻(xiàn) 17附錄 18第一章課題背景降壓電路的原理圖如圖1.1.1所示。該電路使用一個(gè)全控器件S，圖中為MOSFET。圖1.1中，為在S關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。S導(dǎo)通時(shí)，等效電路圖如圖1.2所示，輸入端電源通過(guò)開(kāi)關(guān)管S及電感器L對(duì)負(fù)載供電，并同時(shí)對(duì)電感器L充電。電感相當(dāng)于一個(gè)恒流源，起傳遞能量作用電容相當(dāng)于恒壓源，在電路里起到濾波的作用。圖1.2等效電路圖S關(guān)斷時(shí)，等效電路圖如圖1.3所示，電感器L中儲(chǔ)存的能量通過(guò)續(xù)流二極管D形成的回路，對(duì)負(fù)載R繼續(xù)供電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。圖1.3等效電路圖圖1.4中S的Vo波形所示，在t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)S導(dǎo)通，電源Vi向負(fù)載供電，負(fù)載電壓vo=vi，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=t1時(shí)刻，控制開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓Vo近視為0，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串聯(lián)的電感L值較大。到一個(gè)周期結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)S導(dǎo)通，重復(fù)上個(gè)周期的過(guò)程，當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為Vo=。（1-1）（1-1）式中，ton為S處于通態(tài)的時(shí)間；toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。由公式可知，輸出到?fù)載的電壓平均值Vo最大為，減小占空比，Vo隨之減小。因此將該電路稱為降壓電路。圖1.4波形圖1.2BUCK開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源一般有BUCK型（也叫降壓型），BOOST（也叫升壓），還有很少用到的BUCK-BOOST型（也叫升降壓型），BUCK型開(kāi)關(guān)電源就是降壓到自己需要的電壓，其基本構(gòu)造一般是大功率開(kāi)關(guān)管（比如大功率MOS管，一般都用MOS管，還有專門的POWERMOS）與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成。在20世紀(jì)60年代很流行，是幾十億美元產(chǎn)值的主要技術(shù)根據(jù)，但這種的效率還是很低，于是隨后出現(xiàn)了MOS管工作在非線性區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)電源，正是MOS管的開(kāi)和斷，開(kāi)關(guān)電源才因此而得名，對(duì)于AC/DC的BUCK型開(kāi)關(guān)電源，前級(jí)還是要經(jīng)變壓器降壓，以及全波整流和濾波后得到Udc，此時(shí)Udc的紋波還是較大，波動(dòng)范圍大概與電網(wǎng)電壓的波動(dòng)成線性比，大概在正負(fù)10%左右，假設(shè)MOS管導(dǎo)通的時(shí)間為T1，截止的時(shí)間為T2，那么T1比（T1+T2）的值就是占空比q，假設(shè)輸出電壓為Uo,那么理論上Uo=q*Udc，在Udc與Uo之間需要加續(xù)流肖特基和LC濾波電路，以便得到尖峰和紋波更小的輸出電壓Uo,電感和電容的值不能太小，否則開(kāi)關(guān)電源會(huì)設(shè)計(jì)失敗，在Uo輸出端需要加電阻來(lái)采樣電壓，然后反饋到誤差放大器，誤差放大器輸出的電壓與鋸齒波構(gòu)成電壓比較器，輸出方波，然后加驅(qū)動(dòng)電路，也叫PWM驅(qū)動(dòng)電路，然后控制開(kāi)關(guān)管，來(lái)及時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比，輸出穩(wěn)定的電壓。這就是BUCK型開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理，這種電源的效率基本可以達(dá)到70%~80%，如果能有效控制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍，效率還可以提高，現(xiàn)在基本上比較好的電源的電網(wǎng)電壓波動(dòng)可以做到正負(fù)5%（這就涉及到變壓器技術(shù)）。對(duì)于DC/DC的BUCK型開(kāi)關(guān)電源，效率可以更高，比如蓄電池供電，去點(diǎn)亮大功率LED，這時(shí)就需要驅(qū)動(dòng)電路，也叫LED驅(qū)動(dòng)模塊（本人所在的公司就是設(shè)計(jì)此類驅(qū)動(dòng)的）而驅(qū)動(dòng)電路就是基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，由于是直流輸入，輸入電壓的波動(dòng)范圍比交流輸入的波動(dòng)范圍要小得多，所以效率可以高達(dá)90%多。對(duì)于整個(gè)電路中的MOS管，誤差放大器，電壓比較器，PWM驅(qū)動(dòng)電路現(xiàn)在有的公司已經(jīng)將其做成芯片，將其集中在芯片內(nèi)部，而且有的公司做的很好，誤差很小，要輸出穩(wěn)定的，尖峰和紋波比較小的輸出電壓，無(wú)非就是要控制MOS管的占空比很準(zhǔn)確，這也就成了芯片做得好與壞的區(qū)別之處，那么只要在芯片外加上續(xù)流肖特基，LC電路以及其他一些電子器件就可以構(gòu)成BUCK型開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)然，具體的參數(shù)，具體的波形，還是需要去調(diào)試和驗(yàn)證的，示波器在此的作用可以說(shuō)是很大很大，在AC/DC的BUCK型開(kāi)關(guān)電源中，為了得到波動(dòng)范圍更小的Udc,變壓器技術(shù)在此的作用就顯示出來(lái)，這一部分應(yīng)該有專門的人去搞的...在我們國(guó)家市電是220V，50HZ，所用的變壓器叫做工頻變壓器，有的國(guó)家市電是110V，60HZ，那么工頻變壓器在這就不適用了，所以就有高頻變壓器和低頻變壓器的出現(xiàn)等等，所以在此變壓器技術(shù)也是很關(guān)鍵，有的名牌電源公司做的電源無(wú)論拿到那個(gè)國(guó)家都是OK的，有的電源只能在本國(guó)用，一到其他地方就不行了。第二章課題設(shè)計(jì)要求2.1課題設(shè)計(jì)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)的輸出電壓負(fù)載電流的波形2.2課題設(shè)計(jì)指標(biāo)要求1、輸入直流電壓(VIN)：48V，輸出電壓(VO)：12V，輸出電壓紋波峰-峰值Vpp≤50mV2、負(fù)載電阻：R=1Ω，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)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=0.1V，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75μΩ*F。4、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。第三章課題設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)的組成整個(gè)BUCK電路包括Gc(S)為補(bǔ)償器，Gm（S）PWM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。圖3.1閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖3.2結(jié)構(gòu)框圖其中，直流變化的作用是1、直流變換：將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。2、控制對(duì)象：控制實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。3、采樣網(wǎng)絡(luò):采樣電壓與參考電壓Vref比較產(chǎn)生的偏差。4、PWM控制器：控制PWM的波形。5、補(bǔ)償控制器：校正后來(lái)調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比。設(shè)計(jì)主要包括濾波電感，濾波電容的計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和提供的參數(shù)值。（一）電容的計(jì)算輸出紋波電壓只與電容的容量以及等效電阻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50~80μ*ΩF。本例中取為75μΩ*F。計(jì)算出RC和C的值。Rc=(3-1)C=(3-2)（二）濾波電感L的計(jì)算開(kāi)關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程，再利用Ton+Toff=1/fs,列出如下式子：Ton+Toff=1/fs(3-3)1/100000=10μs;VIN=Vo+VL+Von+L(3-4)12+0.1+0.5+L=480=Vo+VL+VD+L(3-5)12+0.1+0.5=0BUCK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,代入式中，可得TON=2.31μS，L=77μH。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：（3-6）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)，（3-7），Rx，Ry為輸出端反饋電壓的分壓電阻，Go（s）為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。取Rx的值為4kΩ，Ry的值為6kΩ。代入H（s）得H（s）=0.4，因?yàn)閁o=12V，所以以Vref=4.8V，Vm=Vref=4.8V。將Vm=4.8V,H(S)=0.4,VIN=48V,C=1.8mF,Rc=41.7mΩ，L=77μH，R=1Ω代入傳函表達(dá)式：Go（s），得到：Go（s）=用matlab繪制伯德圖，根據(jù)程序圖3.4補(bǔ)償前伯德圖由上圖可知：用matlab繪制伯德圖，如圖3.4所示，得到相角裕度31.3度。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。3.4.1有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)圖3.5有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（3-8）有源超前—滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)。零點(diǎn)公式為：fz1=,fz2=（3-9）極點(diǎn)為：fp1為原點(diǎn)，fp2=,fp3=（3-10）頻率與之間的增益可近似為:AV1=（3-11）在頻率與之間的增益則可近似為：AV2=（3-12）考慮達(dá)到抑制輸出開(kāi)關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取:fs=（3-13）(fs為開(kāi)關(guān)頻率)開(kāi)環(huán)傳函的極點(diǎn)頻率為：fp1,p2（3-14），將兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)傳函兩個(gè)相近極點(diǎn)頻率的，則：fz1=fz2=fp1,p2（3-15）。將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)為fp2=fp3=fs以減小輸出的高頻開(kāi)關(guān)紋波。AV1=（3-16）AV2=（3-17）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)（3-18）計(jì)算過(guò)程可通過(guò)matlab編程完成。根據(jù)閉環(huán)傳函，繪制波德圖，得到相角裕度。程序在附錄中，所得各參數(shù)值及最終傳遞函數(shù)如下：R2=10000；；；；；R1=1.6227e+004；Gc(s)=；G(s)=；圖3.6補(bǔ)償后伯德圖2.由上圖可知，補(bǔ)償后的相角裕度為155度。根據(jù)上述內(nèi)容，得到補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為Gc(s)=BUCK變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=3.5.2仿真結(jié)果(一)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）如圖3.8所示。圖3.8Buck電路雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)控制系統(tǒng)的仿真圖對(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），經(jīng)過(guò)調(diào)試，設(shè)置傳輸延遲(TransportDelay)的時(shí)間延遲(TimeDelay)為2，積分(Integrator)的飽和度上限(Uppersaturationlimit)為1.4，下限為1.3，絕對(duì)誤差(Absolutetolerance)為0.000001，PWM的載波為100kHz，幅值為1.83V的鋸齒波。設(shè)置仿真時(shí)間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長(zhǎng)圖3.9電壓，電流波形圖3.10局部放大圖從圖3.8可知，不加任何干擾的穩(wěn)定后的電壓在12V左右，電流在12A左右，局部放大后誤差也在上下0.05之間。（二）加干擾后的控制系統(tǒng)的仿真圖如圖3.11所示。圖3.11加干擾后的控制系統(tǒng)的仿真圖系統(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2%，相位延遲0.006S。設(shè)置好參數(shù)值后運(yùn)行仿真圖，得到如圖3.12波形圖。加干擾后的控制系統(tǒng)的波形圖從上圖中可以看出周期為0.012S，與不加干擾相比，加干擾后一個(gè)周期就會(huì)出現(xiàn)一次波動(dòng)，加擾后的波動(dòng)電壓大概為26V，擾動(dòng)過(guò)后電壓依然為12V。第四章總結(jié)及心得體會(huì)持續(xù)一周的課程設(shè)計(jì)，逐步完成了設(shè)計(jì)中所要求的基本指標(biāo)要求，并進(jìn)行了工作原理敘述，對(duì)BUCK電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，根據(jù)參數(shù)對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)參數(shù)值對(duì)電路進(jìn)行仿真。首先在老師指導(dǎo)和要求下，自己通過(guò)各種途徑查找有關(guān)于Buck電路的資料，翻看一些參考文獻(xiàn)，了解到Buck電路在生活中應(yīng)用廣泛，是現(xiàn)代生活中必不可少的技術(shù)。在對(duì)Buck電路了解的情況下，逐步開(kāi)始計(jì)算傳遞函數(shù)值，然后設(shè)計(jì)仿真電路圖，通過(guò)一步步調(diào)試，最終得到理想的波形圖。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我更加深入的了解了電力電子這門學(xué)科的重要性并且對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)有了更深的理解，還讓我懂得理論與實(shí)踐相結(jié)合的意義所在。這門課程設(shè)計(jì)要求重點(diǎn)在于要我們依靠自己的能力去學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，而不是讓老師一點(diǎn)點(diǎn)的教我們?cè)撛趺醋雒恳徊?。因此，這樣讓我在實(shí)踐中有了更大的發(fā)揮空間。當(dāng)然在設(shè)計(jì)的過(guò)程中也遇到了各種各樣的問(wèn)題，但是我們小組的每一位同學(xué)都積極的想辦法解決問(wèn)題，大家合作的氛圍非常濃烈，在緊張而愉悅的氛圍中，我們小組將一個(gè)個(gè)