BUCK开关电源闭环控制的仿真研究20V10V.docx
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BUCK开关电源闭环控制的仿真研究20V10V
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
课程设计说明书
课程设计名称:
电力电子
题目:
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/10V
电力电子课程设计任务书
二级学院(直属学部):
电子信息与电气工程学院专业:
电气工程及其自动化班级:
所属组号
2#
指导教师
职称
讲师
课题名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/10V
课题工作容
1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值,设计双极点-双零点补偿网络
2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型库搭建闭环降压式变换器的仿真模型
3、观察系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。
4、撰写课程设计说明书,要求包括:
一、封面
二、任务书
三、目录
四、正文
1、BUCK电路基本原理
2、主电路参数设计
设计容及要求、主电路设计(占空比、滤波电感、滤波电容的设计)
3、BUCK开关电源方案设计
闭环系统框图,各模块设计方法(包括双极点双零点补偿网络的设计)
4、仿真(开环和闭环仿真)
仿真参数及过程描述、仿真模型图、仿真波形及仿真结果分析,含负载扰动情况下的仿真波形
5、总结(含心得体会)
6、参考文献(不少于6篇)
指标(目标)要求
1、输入直流电压(Vin):
20V
2、输出电压(Vo):
10V
3、负载电阻:
4、输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV,电感电流脉动:
输出电流的10%
5、开关频率(fs):
100kHz
6、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V,电感中的电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降
VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸,负载突加突卸的脉冲信号幅值为1,周期为0.012S,占空比为2%,相位延迟0.006S。
进程安排
第1天阅读课程设计指导书,熟悉设计要求和设计方法
第2天根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成BUCK开关电源系统的设计
第3天熟悉MATLAB仿真软件的使用,构建系统仿真模型
第4天仿真调试,记录要求测量波形
第5天撰写课程设计说明书
主要参考文献
1、电力电子系统建模及控制,徐德洪,机械工业
2、开关变换器的建模与控制,卫平,中国电力
3、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞,中国电力,2009
4、电力电子课程设计指导书本院编;
5、电力电子技术应用教程,渭忠,电子工业
地点
秋A404
起止日期
一、课题背景
1、buck电路的工作原理
Buck电路是由一个MosfetS与负载串联构成的,是一种降压斩波电路,其电路如图1-1,
其中RC为电容的等效电阻(ESR)。
图1.1buck变换器主电路图
由驱动信号周期地控制mosfetS的导通与截止,通过改变驱动信号的占空比D,来改变输出电压Uo。
当电路中上管导通时,源极电压等于输入电压,因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs,IC不能直接驱动,IC部将上管的驱动路采用浮地的方式,外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。
根据开关管的通断状态列基尔霍夫电压方程:
当开关管导通时:
(1-1)
当开关管关断时:
(1-2)
2.BUCK开关电源的应用
自从20世纪70年代,用高频开关电源取代线性调节器式电源以来,高频开关电源得到了很大的发展。
40多年来,高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志:
①功率半导体开关器件用功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代了70年代使用的普通功率晶体管;②高频化PWM与PFM控制技术的应用和软开关技术的应用;③开关电源系统集成技术的应用。
现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。
可以说,凡是用电的电子设备没有不用开关电源的,如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等,都要使用高频开关电源。
这些电源功率通常仅有几十瓦至几百瓦。
手机等移动电子设备的充电器也是开关电源,但功率仅有几瓦。
通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源,但功率较大,可达数千瓦至数百千瓦。
工业上也大量应用开关电源,如数控机床、自动化流水线中,采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。
上述的开关电源最终的供电对象基本都是电子电路,电压多为3.3V,5V,12V等。
除了这些应用之外,开关电源还可以用于蓄电池充电,电火花加工,电镀、电解等电化学过程等,功率可达几十至几百千瓦。
在X光机、微波发射器、雷达等设备中,大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。
二、课题设计要求
1、输入直流电压(Vin):
20V
2、输出电压(Vo):
10V
3、负载电阻:
4、输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV,电感电流脉动:
输出电流的10%
5、开关频率(fs):
100kHz
6、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V,电感中的电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸,负载突加突卸的脉冲信号幅值为1,周期为0.012S,占空比为2%,相位延迟0.006S。
三、课题设计方案
1、系统的组成
1.1闭环系统结构框图
图3.1.1闭环系统结构框图
整个BUCK电路包括:
Gc(S)为补偿器,Gm(S)PWM控制器,Gvd(S)开环传递函数和H(S)反馈网络。
采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比,当占空比发生变化时,输出电压Uo做成相应调整来消除偏差。
(2)系统传函框图
2、主电路部分的设计
2.1电容等效电阻RC和滤波电感C的计算
Buck变换器主电路如图3.2.1所示,其中RC为电容的等效电阻(ESR)。
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关,
式(3-1)
电解电容生产厂商很少给出ESR,但C与RC的乘积趋于常数,约为50~80μ*ΩF。
本例中取为75μΩ*F,由式(3-1)可得RC=100mΩ,C=750μF。
2.2滤波电感L的计算
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(3-2)、(3-3)所示
式(3-2)
式(3-3)
二极管的通态压降VD=0.5V,电感中的电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V,
=0.2IN。
利用
,可得TON=5.3μS,将此值回代式(3-2),可得L=99.64μH,
取L=100μH
3、闭环系统的设计
3.1BUCK变换器原始回路传函
的计算
其中
为锯齿波PWM环节传递函数,近似成比例环节,为锯齿波幅值Vm的倒数。
为采样网络传递函数,
,Rx,Ry为输出端反馈电压的分压电阻,
为开环传递函数。
将Vm=3V,H(S)=0.3,Vin=20V,C=0.75mF,Rc=100mΩ,L=100uH,R=2欧代入传函表达式,得到:
式(3-1)
用matlab绘制波德图,得到相角裕度34.6度。
num=[0.00015,2]
den=[7.5*10^-8,5*10^-5,1]
G0=tf(num,den)
Margin(G0)
由于相角裕度过低。
需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
3.2双极点双零点补偿控制器的设计
有源超前-滞后补偿网络电路如图3.2.1所示
图3.2.1有源超前—滞后补偿网络电路
补偿器的传递函数为:
式(3-2)
有源超前-滞后补偿网络有两个零点.三个极点。
零点为:
,
极点为:
为原点,,
频率与之间的增益可近似为:
在频率与之间的增益则可近似为:
考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取(开关频率)
开环传递函数的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环
传函两个相近极点频率的,则:
将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。
先将R2取10kΩ,然后根据公式可推算出R1、R3、C1、C2、C3的值
进而可得到
依据上述方法计算后,Buck变换器闭环传递函数:
计算过程可通过matlab编程完成,程序见附录。
根据闭环传函,绘制波德图,如图3.2.2,图3.2.3
图3.2.2补偿器的传递函数Gc(s)伯德图
图3.2.3闭环传递函数G(s)伯德图
得到相角裕度90.6°,符合要求。
进过计算最终可得:
R1=3.7942*10^6Ω
R3=1.1025*10^4Ω
C1=5.472*10^-8F
C2=1.5962*10^-10F
C3=1.4436*10^-10F
进而可得到式(3-3)
根据Gc(S)确定Kp,ki,kd的值。
依据上述方法计算后,Buck变换器闭环传递函数:
式(3-4)
4、闭环系统的仿真
用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图如图4.1
图4.1Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图
4.1不加任何干扰时闭环系统的仿真
(1)对闭环系统进行仿真(不含干扰负载),并记录波形,经过调试,设置传输延迟(TransportDelay)的时间延迟(TimeDelay)为0.0001,
积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为1.488,下限为1.480,绝对误差(Absolutetolerance)为0.000001,PWM的载波为70kHz,幅值为3.66V的锯齿波。
(2)设置仿真时间为0.05s,采用ode23算法,设变步长1e-7。
不加干扰时BUCK电路闭环仿真电流及其局部放大波形如图4.2和图4.3所示:
图4.2BUCK电路闭环仿真电流波形
图4.3BUCK电路闭环仿真电流的局部放大波形
不加干扰时BUCK电路闭环仿真电压及其局部放大波形如图4.4和图4.5所示:
图4.4BUCK电路闭环仿真电压波形
图4.5BUCK电路闭环仿真电压的局部放大波形
如上述图4.2--图4.5所示,BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V,,最大值为10.035V,最小值为9.975V,峰-峰值为0.005V,符合要求;输出电流稳定后为5A,最大值为5.018A,最小值为4.988AA,峰-峰值为0.03A,符合要求。
4.2加干扰时闭环系统的仿真
系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。
其中采用压控开关S2实现负载的突加、突卸,负载突加突卸的脉冲信号幅值为1,周期为0.012S,占空比为20%,相位延迟0.006S。
系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形如图4.6所示:
图4.6BUCK电路闭环仿真电流和电压波形
其中电流局部放大图如图4.7所示:
图4.7BUCK电路闭环仿真电流局部放大波形
电压局部放大图如图4.8所示:
图4.8BUCK电路闭环仿真电压局部放大波形
如上述图4.6至图4.8所示,BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为10V,每隔0.012s出现扰动,扰动消失后能很开恢复稳定,系统稳定性较高,最大值为10.002V,最小值为9.998V,峰-峰值为0.004V,符合要求;输出电流稳定后为8A,每隔0.012s出现扰动,扰动消失后能很开恢复稳定,系统稳定性较高,最大值为8.002A,最小值为7.998A,峰-峰值为0.004A,符合要求。
四、总结及心得体会
这次电力电子的课程设计是以Buck开关电源为研究对象,学做了一个有关BUCK开关电源电压型双极点双零点补偿器控制的仿真研究。
本次课程设计是针对BUCK降压斩波器,包括电路的原理分析,buck电路的主电路参数设计,buck电路的闭环设计及buck电路的闭环仿真。
通过闭环仿真,可以看到闭环控制的稳压及抑制干扰作用。
通过这次设计主要取得了如下成果:
掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识;对PID控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识;熟练运用Matlab的仿真软件;对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。
为了提高系统的稳定性和抗干扰能力,选用具有双极点、双零点补偿的PID控制器,增设的两个零点补偿由于Buck变换器的双极点造成的相位滞后,其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点,另一个极点设置在高频段,可以抑制高频噪声。
仿真时先对不加任何干扰时BUCK电路闭环的仿真,调节各种元器件的参数使得最后的仿真波形与预期的一样,之后进行系统在突加、突卸80%额定负载时的仿真,这时系统将得到一个波动的干扰影响输出电压电流,得到的波形也是有个稳定周期地扰动的。
本次课程设计是对本学期学习的一个检验,把理论的运用到应用中。
实验过程中遇到难点,通过查资料丰富了自己的知识,本次实验学会了使用Matlab仿真软件,全英文的软件,感受到英语不好的忧伤,不过matlab是很强大的,通过它检测了闭环系统的稳定性,感受到了成功的喜悦。
一周的课程设计虽然冲忙,但也学到的很多课堂上学不到的知识,实践出真理,既巩固了之前所学的知识,也锻炼了自身的动手能力,还学到了不少新的知识,一举三得。
五、参考文献
1、电力电子系统建模及控制,徐德洪,机械工业
2、开关变换器的建模与控制,卫平,中国电力
3、开关电源技术教程,占松,机械工业
4、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞,中国电力,2009
5、电力电子课程设计指导书本院编;
6、电力电子技术应用教程,渭忠,电子工业
7、电力电子技术,王兆安,机械工业
附录
clc;
clear;
Vg=20;L=100e-6;C=0.75e-3;fs=100e3;R=2;Vm=3;H=0.3;Rc=0.1;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/VmVg*H/Vm],[L*CL/R1])
figure
(1)
margin(G0)
fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));
fg=(1/5)*fs;
fz1=(1/2)*fp1;
fz2=(1/2)*fp1;
fp2=fs;
fp3=fs;
[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);
marg_G=1/marg_G0;
AV1=fz2/fg*marg_G;
AV2=fp2/fg*marg_G;
R2=10e3;
R3=R2/AV2;
C1=1/(2*pi*fz1*R2);
C3=1/(2*pi*fp2*R3);
C2=1/(2*pi*R2*(fp3-fz1));
R1=1/(2*pi*C3*fz1);
num=conv([C1*R21],[(R1+R3)*C31]);
den1=conv([(C1+C2)*R10],[R3*C31]);
den=conv(den1,[R2*C1*C2/(C1+C2)1]);
Gc=tf(num,den);
figure
(2)
bode(Gc)
G=series(Gc,G0);
figure(3)
margin(G)
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- BUCK 开关电源 闭环控制 仿真 研究 20 V10V