buck开关电源闭环控制仿真研究.docx
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buck开关电源闭环控制仿真研究.docx
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buck开关电源闭环控制仿真研究
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
设计说明书
项目名称:
电力电子技术关于BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V
二级学院:
电气与光电工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
13电
学生姓名:
庄祥祥
学号:
指导教师:
庄志红
职称:
副教授
起止时间:
2016年12月19日—2016年12月31日
《专业综合设计与实践》
“实践”评分标准及评分表
姓 名:
庄祥祥学号:
序号
项目
分值
标准
分类要求
分值
实际评分
1
任务
功能
5
任务书指标具体、功能明确,完成课题任务
参数具体、明确且实现要求
5
参数具体,但部分功能未达要求
4
参数抽象、不够具体,但实现了相关功能
3
仅实现指标中部分功能
2
指标不具体,功能笼统、抽象
≤1
2
作品
效果
15
能现场演示或仿真,完成相关指标或功能
演示效果良好、数据准确
>12
基本能演示,数据有误差或功能体现不强
10-12
少部分指标功能未达到要求或未体现出效果
7-9
不能演示,仅能仿真
4-6
无法演示,数据基本不真实
≤3
3
PPT
内容质量
5
内容主题鲜明、表达简洁、信息完整
主题简洁、思路清晰、重点特出、信息完整
5
内容显繁琐,概括性不够,思路清楚
4
内容基本完整,但条理性一般
3
只能一定程度概括、总结,信息欠完整
2
仅是说明书中有关内容简单重复,无条理性
≤1
4
PPT
效果
5
效果生动,能利用多媒体技术
多媒体效果良好、动画生动
5
能利用多媒体,效果尚可
4
能利用多媒体,效果较一般
3
仅是文字动画播放,效果一般
2
无多媒体效果,仅是文字播放
≤1
5
回答
问题
10
解释清楚、正确
课题内容熟练、问题解释清楚,思路清晰,能力体现强
≥9
能力体现尚可,问题解释基本清楚、具体
7-8
尚能对问题进行解释,但仅是基本知识点方面内容
5-6
仅能对一些问题进行初步解释,能力表现较一般
3-4
基本无法回答有关问题
≤2
合计
(实践部分成绩)
40分
百分制
评阅教师签名:
评阅日期:
.
《专业综合设计与实践》
“报告”评阅意见评分表
姓 名:
庄祥祥学号:
序号
项目
标准(满分要求)
满分
实际评分
1
课题难度
功能多、指标高、工作量大;
5
2
课题实用性
紧密联系实际工程,真实企业产品体现
5
3
资料完整性
上交资料齐全、信息完整,装订规范
5
4
格式规范性
图、表、公式、流程图、图纸等规范
5
5
内容完整性
对设计过程的方案论证、硬软件、仿真等相关信息,内容齐全,介绍完整
5
6
论述质量
语句通顺、条理清楚、参数准确
5
7
广度、深度
分析具体、全面,设计细节描述清晰
10
8
加分因素
创新性、独创性、综合性,等等
+10
扣分因素
有关资料简单重复,相似度高,等等
-10
合计
(报告部分成绩)
40
百分制
评阅教师签名:
评阅日期:
《专业综合设计与实践》任务书
二级学院:
电气与光电工程学院班级:
13电
姓 名:
庄祥祥学号:
项目名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V
起止时间
2016年12月19日—2016年12月31日
课题内容
及其目标
(指标)要求
内容简介:
1.根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值,完成开关电路的设计
2.根据设计步骤和公式,设计双极点-双零点补偿网络,完成闭环系统的设计
3.采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4.观察并记录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
指标要求:
1.输入直流电压(VIN):
55V,输出电压(VO):
22V,输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV
2.负载电阻:
R=2Ω,电感电流脉动:
输出电流的10%,开关频率(fs)=60kHz
3.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75μΩ*F
4.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:
分组,拟定课题,确定任务和要求;
第2天:
方案论证、比较,拟定设计方案;
第3-5天:
具体方案设计和实践;
第6天:
调试和优化;
第7-8天:
作品测试,撰写设计说明书;
第9天:
制作PPT;
第10天:
答辩。
设计地点
指导教师:
庄志红职称:
副教授
一、引言
随着电力电子技术的快速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多。
电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。
开关电源因其体积小,重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。
伴随着人们对开关电源的进一步升级,低电压、大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。
开关电源分为AC/DC和DC/DC,其中DC/DC变换已实现模块化,其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
斩波电路主要用于电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路,是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路,用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十千赫兹频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动,电压、电流容量大的优点。
IGBT降压斩波电路由于易驱动,电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景,也由于开关电源向低电压,大电流和高效率发展的趋势,促进了IGBT降压斩波电路的发展。
二、课题简介
BUCK电路是一种降压斩波器,降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。
通常电感中的电流是否连续,取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
简单的BUCK电路输出的电压不稳定,会受到负载和外部的干扰,当加入PID控制器,实现闭环控制。
可通过采样环节得到PWM调制波,再与基准电压进行比较,通过PID控制器得到反馈信号,与三角波进行比较,得到调制后的开关波形,将其作为开关信号,从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。
2.1BUCK变换器PID控制的参数设计
PID控制是根据偏差的比例P、积分I、微分D进行控制,是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。
通过调整比例、积分和微分三项参数,使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。
PID控制的本质是一个二阶线性控制器,其优点:
1、技术纯熟;2、易被人们熟悉和掌握;3、不需要建立数学模型;4、控制效果好;5、消除系统稳定误差
2.2BUCK电路的工作原理
Buck变换器主电路如图1所示,其中RC为电容的等效电阻(ESR)。
图1buck电路主电路图
当t=0时,驱动IGBT导通,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升。
电路工作时波形图如图2所示:
图2IGBT导通时的波形
当t=t1时刻,控制IGBT关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压u0近似为零,负载电流指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小,故串联L值较大的电感。
图3IGBT关断时的波形
至一个周期T结束,再驱动IGBT导通,重复上一周期的过程。
当电路工作于稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等,负载电压的平均值为:
(4-1)
其中,ton为IGBT处于通态的时间;toff为处于断态的时间;T为开关周期;
为导通占空比。
通过调节占空比
使输出到负载的电压平均值U0最大为E,若减小占空比
,则U0随之减小。
由此可知,输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui,若减小占空比
,则Uo随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路。
2.3BUCK开关电源的应用
开关电源的三大基础拓扑:
Buck、Boost、Buck-Boost。
BUCK开关电源主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。
采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。
用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。
此外,对Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。
在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。
三、课题设计要求
3.1课题内容
1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值,完成开关电路的设计
2、根据设计步骤和公式,设计双极点-双零点补偿网络,完成闭环系统的设计
3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4、观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压负载电流的波形
3.2参数要求
输入直流电压(VIN):
55V
输出电压(VO):
22V
负载电阻(R):
2Ω
输出电流(IN):
11A
输出电压纹波(Vrr):
50mV
开关频率(fs):
60kHz
负载突变为80%的额定负载
电流脉动峰-峰值:
二极管的通态压降VD=0.5V,电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V
四、课题设计方案过程
4.1开环系统设计(主电路设计)
①电容等效电阻RC和滤波电感C的计算
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关,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。
计算出RC和C的值。
(4-1)
(4-2)
(4-3)
②滤波电感的计算
(4-4)
(4-5)
(4-6)
求得:
L=0.0002H
4.2开环仿真
图4开环系统仿真图
在仿真图元件中输入计算的参数,占空比调结为42.4,得到如下仿真结果:
图5电流电压仿真波形
图6电流电压局部放大
从上图可知,电压波形稳定在22V左右,电流在11A左右,局部放大后电流误差10%以内,电压波动在上下0.05V以内。
4.3闭环系统设计
4.3.1闭环系统结构框图
图7闭环系统结构图
Gc(S)-补偿器,Gm(S)-PWM控制器,Gvd(S)-开环传递函数,H(S)-反馈网络。
采样电压Hv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做出相应调整来消除偏差。
BUCK系统框图:
图8BUCK系统框图
4.3.2BUCK变换器原始回路传函的计算
采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为:
(4-7)
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=4.4V,H(S)=0.2,
=55V,C=0.75mF,Rc=0.045Ω,L=0.0002H,R=2Ω代入传函表达式,得到:
用matlab绘制伯德图,根据程序得到伯德图如图9所示
图9补偿前伯德图
由上图可知:
用matlab绘制伯德图,如图9所示,得到相角裕度21度。
由于相角裕度过低。
需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
4.3.3补偿后的系统传函计算
有源超前-滞后补偿网络如图10所示
图10有源超前-滞后补偿网络
补偿器的传递函数为:
(4-8)
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点
零点为:
,
(4-9)
极点为:
为原点,
,
(4-10)
频率
与
之间的增益可近似为:
(4-11)
在频率
与
之间的增益可近似为:
(4-12)
考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取:
(4-13)
开环传递
的极点频率为
将
两个零点的频率设计为开环传递函数
两个相近极点频率的
,则:
(4-14)
将补偿网络
两个极点设为
以减小输出的高频开关波纹。
(4-15)
(4-16)
先将R2任意取一值,然后根据公式可推算出R1,R3,C1,C2,C3,进而可得到Gc(S)。
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:
G(s)=
。
计算过程可通过matlab编程完成。
根据闭环传函,绘制波德图,得到相角裕度,验证是否满足设计要求。
程序在附录中,所得各参数值及最终传递函数如下:
R2=10000
R3=15.1649;
C1=1.1489e-007;
C3=1.7492e-007;
C2=2.6587e-010;
R1=6.5684e+003;
补偿后的伯德图如图12所示,相角裕量如图11所示
图11补偿后相位裕量
图12补偿后伯德图
4.4闭环系统仿真
4.4.1不含干扰负载的闭环系统仿真
用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(不含干扰负载),如图所示
图13闭环系统仿真图(不加干扰)
对闭环系统进行仿真(不含干扰负载),使参数符合控制要求),经过调试,设置传输延迟(TransportDelay)的时间延迟(TimeDelay)为0.0002,积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为2.538,下限为2.53,绝对误差(Absolutetolerance)为0.000001,PWM的载波为60kHz,幅值为4.4V的锯齿波。
设置仿真时间为0.04s,采用ode23s算法,可变步长得到电压、电流波形,并对稳定值局部放大观察纹波电压和脉动电流值。
电压、电流波形如图14所示和局部放大图如图15所示
图14电压电流波形图
图15电压电流局部放大图
从上图可知,不加任何干扰的稳定后的电压在22V左右,电流在11A左右,电压局部放大后误差也在上下0.05之间。
4.4.2含干扰负载的闭环系统仿真
图16电压电流仿真图(含干扰负载)
五、总结及心得体会
经过两周的专业综合设计,我回顾并进一步学习buck电路的设计。
这次课设的名称为BUCK开关电源闭环控制的仿真,在这两周时间里,我学习了BUCK电路的工作原理,如何设计开环与闭环控制系统,传递函数与加补偿期待传递函数的计算,怎么用MATLAB进行仿真,对载波(三角波)幅值参数进行调整,让输出的电流跟电压的幅值符合任务的要求。
在调整的过程中,波形一开始偏大,后来经过与同学的讨论,知道了在调节上下幅值时也要调节载波的幅值。
最后出来的波形的图形满足了我的输出要求。
通过这次课程设计,我感受到我以前学习的一些短板,一些书本上的知识无法熟练的应用到应用上。
不过我也体会到合作的重要性,许多不清楚疑惑的地方,在经过与同学的讨论后,最终可以得出一个比较清晰的结果。
六、参考文献
1、电力电子系统建模及控制,徐德洪,机械工业出版社
2、开关变换器的建模与控制,张卫平,中国电力出版社
3、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞,中国电力出版社,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,蒋渭忠,电子工业出版社
七、附录
附录一
num=[0.00037,5]
den=[6.6*10^-7,2*10^-4,2]
G0=tf(num,den)
Margin(G0)
附录二
Vg=55;L=2*10^(-4);C=1.65*10^(-3);fs=60*10^3;R=2;Vm=4.4;H=0.2;Rc=0.045;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]);
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=10*10^3
R3=R2/AV2
C1=1/(2*pi*fz1*R2)
C3=1/(2*pi*fp2*R3)
C2=1/(2*pi*(fp3-fz1)*R2)
R1=1/(2*pi*fz1*C3)
num=conv([C1*R2,1],[(R1+R3)*C3,1]);
den1=conv([(C1+C2)*R1,0],[R3*C3,1]);
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:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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- buck 开关电源 闭环控制 仿真 研究