华科MATLAB大作业Word格式文档下载.docx
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华中科技大学电气与电子工程学院
2013年11月
评分栏
项目
应包括的主要内容或考核要点
满分
自评
评分
设计
报告基本要求
方案论证
性能指标分析;
控制方法及实现方案
10
设计过程
控制器设计与参数计算
30
结果分析
对设计结果的分析与核算,分析原因和改进
20
格式规范
重点考查完整性,图表,公式的规范性
发挥部分
完成第
(1)项
提出改进的性能指标,完成分析,设计并对结果予以验证
完成第
(2)项
考虑参数变化,干扰影响等其他因素,完成分析,设计并对结果予以验证
完成第(3)项
提出其他更完善的性能指标,完成分析,设计并对结果予以验证
报告得分
以上报告得分占考核成绩的90%
是否申请答辩:
是()
否(√)
100
答辩得分
答辩以报告的特色和难度系数,掌握程度予以评价
特色:
难度:
熟练:
总分
报告得分+答辩得分
1、引言
随着计算机技术的发展,计算机软件越来越成为科研人员使用的重要工具。
MATLAB作为一款强大的仿真软件,现被广泛应用于电力电子领域。
本文将对Buck变换电路进行设计研究,并用Matlab进行仿真,并根据仿真结果对电路进行相应完善,使其符合要求,从而体现Matlab软件的实用性。
现要设计一个DC/DCBuck变换电路,并使其满足如下性能指标:
(1)输入电压
;
(2)输出电压
,误差小于1%;
(3)输出电压纹波小于系数
。
2、设计方法
1、Buck主电路的设计
(1)占空比D
在电感电流连续的条件下,占空比D=M=100/200=0.5。
(2)滤波电感L与滤波电容C
因为滤波电感L不仅关系到滤波特性,其电流的断续还会影响到变压比。
只有在电感电流连续的情况下,变压比M=D。
因此它的选取应从两方面考虑:
从电流连续考虑,
,取开关频率
,负载电阻为2Ω,则负载电流为50A,又因占空比
D=0.5,要电流连续应使负载电流大于临界电流,即要求
从滤波效果来考虑,要使滤波后电压脉动小于1%。
根据脉动电压公式:
其中:
为开关频率,
取占空比
D=0.5,
可以得电容最小值为1250uF
根据以上原则,并且保留一定的阈值,选择电感参数为:
0.5mH,电容参数为:
200uF。
验算:
若取R=2Ω,L=0.5mH,C=200uF,则有
纹波系数
可见满足要求。
2、开环仿真
通过计算,现已确定了此电路的各元件参数,接下来我们可以运用MATLAB中的simulink功能对其进行仿真,通过仿真结果观察此电路是否满足要求。
在simulink中搭建如下电路:
图1Buck主电路仿真图
画好电路后,选择ode23算法,仿真停止时间设为0.01s,启动仿真,并将驱动电压波形、电感电流波形、输出电流波形、输出电压波形(电容电压波形)导出到workspace,绘出他们的仿真波形。
结果如下所示:
图2驱动信号波形
图3电感电流波形
图4输出电流波形
图5输出电压波形
图6稳态时输出电压纹波图
3、结果分析
从上面的波形可以看出,此电路可以实现直流电压的降低,在图3中可以看出,电感电流没有发生断流,符合设计要求;
从图5中可以看出,此电路的响应时间约为0.004s,即0.004s后进入稳态;
从图6中可以看出,当输出电压进入稳态后有纹波,并不是稳定不变的,从图中还可以大概读出其脉动量
,纹波系数为0.6%,与我们前面计算出的纹波系数0.625%很相近,并且小于1%,也满足要求。
另外,通过改变电路的电感、电容、频率等参数,对比仿真结果可以看出电感、电容、频率对输出电压的影响。
增大电感可以减小输出电压的脉动,但也会使输出电压平均值减小;
增大频率也可以减小输出电压的脉动,但输出电压平均值略有下降,说明开关频率高,器件的开关损耗增大,因此在增大频率的时候,应考虑到开关损耗的影响。
但是此电路仍有很大不足之处:
1 输出平均电压为99.04V,稳态误差小于1%,基本符合要求,但若能减小此误差将更好;
2 输出电压响应波形有23%左右的超调;
3 驱动信号的脉宽固定不变,若输入电压不稳定,就将影响到输出电压的大小,比如当输入电压为220V时,仿真输出的电压平均值为109V;
另外负载电阻变化也将引起输出电压的变化,比如但电阻为10Ω时,仿真输出电压平均值为100.3V,可见此电路没有稳压功能。
4 在实际中不存在纯电感和纯电容,实际电感和电容都存在杂散电阻,而杂散电阻的存在将影响输出电压纹波,但此电路仿真图没有考虑杂散电阻的影响。
因此需要对此电路进行改进,可以引入一个闭环控制,实现输出电压的稳定。
4、开环传函分析
利用小信号模型,对Buck电路进行建模,得到其开环传递函数为
?
其中,RC为滤波电容的ESR,Buck电路的纹波电压,主要是由电容的寄生电阻ESR和电容容量决定,所以要想对电路纹波进行比较精确地控制必须考虑寄生电阻的影响,而对于一般的电容,其C与寄生电阻Rc的乘积趋于常数,约为50~80uF*Ω。
现取65uF*Ω,带入数据可得:
输入下列代码,画出开环电路的伯德图:
>
num=[0.013,200];
den=[0.0000001,0.00025,1];
g=tf(num,den);
margin(g)
gridon
图7Buck电路开环传函伯德图
可以看到相位裕度为84.4°
,穿越频率为
,可见相位裕度大于45°
,满足要求,并且由较大裕度,但穿越频率过大,应加入校正环节,对其进行适当减小。
Buck变换器反馈控制系统原理图如下图所示。
图8Buck变换器反馈控制系统原理图
为了解决上述问题,可设计一个PID控制器来实现闭环控制。
PID控制就是指校正环节采用
这种形式的比例积分微分环节。
增大比例系数
一般将加快系统的响应,这有利于减小静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。
减小
有利于加快系统响应,使超调量减小,稳定性增加,但对于干扰信号的抑制能力将减弱。
其电路如下所示。
图9加入PID控制环节后电路图
由于时间和能力限制,并且对以前电力电子、自动控制理论知识忘记了较多,对MATLAB掌握也不熟练。
对PID控制器的具体参数不会计算,本来打算用试凑法来实现,但是试了好久也没有成功。
而且因为现在正在准备考研,时间比较紧,没有更多时间去图书馆查相关资料,十分遗憾没有做出来。
5、总结
本次大作业体现了MATLAB在电力电子领域的广泛应用,结合了我们学习的MATLAB知识和我们以前学过的电力电子知识、自动控制理论知识。
通过本次作业,我们既深化了对buck电路的理解,也巩固了我们对MATLAB使用方法的掌握。
通过本次作业,我还深刻体会到MATLAB的巨大实用性、方便性。
在实际设计实验电路时,很多时候是没有条件搭建实际电路来进行实验的,MATLAB就可以很方便地实现仿真,并且结果可靠性较高。
并且在仿真时可以方便地改变各种参数,对比其结果,可以较快的得出结论,比如在本实验中,我就改变了电感、电容、频率、输入电压、负载电阻等参数,清楚的知道了输出结果与各参数的关系,这对实际研究有很大帮助。
参考文献
1.《信号与系统综合实验教程》.熊蕊.华中科技大学出版社
2.《电力电子学》(第二版).陈坚.高等教育出版社
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- 华科 MATLAB 作业