BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-28V15V

1、率州工学饰CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称：电力电子技术UC所关电源闭环控制的仿真研究-28V/15V课题名称课题内容及指标要求BUC"关电源闭环控制的仿真研究-28V/15V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MATLABf3simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换，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班定负载时的输出电压和负载电流的波形"标要求：1

2、、输入直流电压（Vin）:28V,输出电压（Vo）:15V,输出电压纹波峰-峰值Vpp<50m2、负载电阻：R=3Q,电感电流脉动：输出电流的10%开关频率（fs）=100kHz3、BUC©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Vo=0.5V,滤波电容C与电解电容R的乘积为75的F4、采用压控开关S2实现80%勺额定负载的突加、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第1天阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法进第2天安第4天排第5天根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成BUC&

3、quot;关电源系统的设计熟悉MATLA时真软件的使用，构建系统仿真模型仿真调试，记录要求测量波形起止日期2016年6月20日-2016年6月24日2016年6月17日撰写课程设计说明书一、引言1二、课题简介12.1 BUCK变换器PID控制的参数设计12.2 BUCK电路的工作原理12.3 BUCK开关电源的应用3三、课题设计要求33.1 课题内容33.2 参数要求3四、课题设计方案44.1 系统的组成：44.2 主电路部分的设计54.3 闭环系统的设计54.4 闭环系统仿真10五、总结及心得体会13六、参考文献13七、附录14一、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

4、，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/D5口DC/DQ其中DC/DC变换已实现模块化，具设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/D吸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

5、流的降压变换。IGBT是MOSFET双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET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BUCK1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U

6、i。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BUCQ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PWMH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BUCKI路15环PID控制系统。2.1 BUCK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

7、，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2.2 BUCK电路的工作原理Buck变换器主电路如图下所示，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:I*a)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。b)图3IGBT关断时的波形至一个周期T结束，再驱动IGBT导通

8、，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),tonton广Uo=EE-二EtontoffT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；a为导通占空比。通过调节占空比a使输出到负载的电压平均值U0最大为E,若减小占空比口，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,若减小占空比支，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。2.3 BUCK开关电源的应用开关电源的三大基础拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost0BUCK关电源主要应用于低压大电流

9、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MOi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。止匕外，对Buck电路应用同步整流技术，用MO第代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向D。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

10、计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计3、采用MATLABsimulink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%5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）：28V输出电压（Vo）：15V负载电阻（R）:3Q输出电流（In）:5A输出电压纹波（）:50mV开关频率（fs）：100kHz负载突变为80%勺额定负载电流脉动峰-峰化&L=0.1IN=0.5A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4.1 系统的组成：

11、如图4闭环系统的框图所示图4闭环系统的结构框图整个BUC。路包括Gc(S)为补偿器，Gm(S)PWF®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空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。BUC舔统框图如图5所示输入电压Vin图5BUCK系统框图各部分的作用为:直流变换：将输入的交流电转换为直流电。控制对象：控制实验的对象。采样网络:采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差。PWM控制器：控制PWM的波形。补偿控制器：校正后来调节PWM控制器的波形的占空比。4.2 主电路部分

12、的设计电容等效电阻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ESM关，电解电容生产厂商很少给出约为5080卜*QF。本例中取为75仙Q*F。计算ESR但CfRC勺乘积趋于常数,出R(RC的值。Uo15=5,J(4-1)VppVpp50*10A(-3)Rc=-PP=P=0.11.1Il0.1In0.5(4-2)75*10A(6)(4-3)C=75I0(6)=0.75*10A(_3)F=0.75mF0.1滤波电感的计算：LVVin=V。+Vl+L7tonAL0=V0+Vl+Vd+Ltoff1ton*toff-Ifs(4-4)(4-5)(4-6)0=150.10.5L0.528=150.1

13、0.5L一tontontoff-0.5toff1100*10A3求得：L=138.2uH4.3 闭环系统的设计4.3.1 闭环系统结构框图BUC峻换器系统框图如图6所示图6BUCK变换器系统框图4.3.2 BUC侬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):Go(s)=Gm(s)H(s)*Gvd(s)=；H(s)*，IN：一,。)Vm1sLs2LCR(4-7)其中Gm(s)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。H(s)为采样网络传递函数，H(s)=YfR,Ry为输出端UoRxRy反馈电压的分压电阻，Gvd(s)为开环传

14、递函数。将Vm=2.5V,H(S)=0.167Vin=28V,C=0.75mFRc=0.1Q,L=138.2uH,R=3Qc,、0.00014s1.867Go(s)=z-47代入传函表达式，得到：1.036*10-7s24.607*10飞1用matlab绘制伯德图，根据程序得到伯德图如图7所示LueoTesanpBodeDiagram0-45-90-135-180XIRKTeauLhoaM1010101010Frequency(rad/sec)图7补偿前的伯德图由上图可知：用matlab绘制伯德图，如图7所示，得到相角裕度29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

15、偿器的传函设计有源超前-滞后补偿网络如图8所示补偿器的传递函数为:Gc(S)(1sRCi)1s(RiR3)C3sB(CiC2)(1sR2C1C2(4-8)C1C2)(1sR3c3)有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点零点为：fZ12R2C1fz2ROC3=2RC3(4-9)极点为：fp1为原点,fP22二R3c3fp3R2C1C2(4-10)C1C2频率fz1与fz2之间的增益可近似为:R1(4-11)在频率fp2与fp3之间的增益可近似为：AV2R2(R1R3)R2=fcRR3R3(4-考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取:fgfs(4-13)开环传递G0(s)的极点频率为f

16、pL2二LC，将Gc(s)两个零点的频率设计为开(4-14)1-1环传递函数Go(S)两个相近极点频率的2,则：fz1g=fz2=3fp1,p2将补偿网络Gc(s)两个极点设为fp2=fz2=fs以减小输出的高频开关波纹。AM=f2Gc(j2寸fgRO,一百(4-15)foeRAV2=*Gc(j2Hg)=R2(4-16)fgg)R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)=G0(s)Gc(s)。计算过程可通过matlab编程完成。根据闭环传函，绘制波

17、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=10000R3=21.6308;C1=6.4389e-008;C3=7.3578e-008;C2=1.5955e-010;R1=8.7512e+003;Gc(s)=4.156e-007sA2+0.001289s+11.431e-015sA3+1.798e-009sA2+0.0005649sG(s)=5.819e-01促3+9.563e-007sA2+0.002547s+1.8671.483e-022sA5+1.864e-016sA4+5.863e-011sA3+2.782e-008sA2+0.0005

18、649s4.3.4伯德图及相角裕量补偿后的伯德图如图9所示，相角裕量如图10所示)Bavedm9aMBodeDiagram102103104105106Frequency(rad/sec)10lyeovesanp7图9补偿后的伯德图BodeDiagramGm=InfdB(atInfrad/sec),Pm=154deg(at7.19e+004rad/sec)40ooo24-l9eaces3np505-4-93d106107-180102103104105Frequency(rad/sec)图10补偿后的相角裕量4.4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

19、扰负载)如图11所示MiMsyngmertIdea5witch3SSS二VdtagsMeasurenertlTRjTFSpQrtIXLiyAt|>Mbngi图11Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(2)闭环系统的仿真结果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)勺时间延迟(TimeDelay)为0.0002,积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为1.195,下个艮为1.18,绝对误差(Absolutetolerance)为0.000001,PWM的载波为100kH

20、z幅值为2.7V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12所示和局部放大图13、图14所示meolfset图12电压、电流波形图（不加干扰）图13电流放大图T族Mfset图14电压放大图分析：从上图可知，不加任何干扰的稳定后的电压在15V左右，电流在10A左右，局部放大后误差也在上下0.05之间。(3)加干扰后的控制系统的仿真图如图15所示。图15电流、电压波形(加干扰)五、总结及心得体会经过一周的电力电子课程设计结束了，真的是受益匪浅。课题的名称为BUCK开关电源闭环控制的仿真，让我

21、们更进一步了解BUCK电路的工作原理，如何设计闭环控制系统，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，并满足%5的误差之内。在调整的过程中，有失也有得。开始的时候，不管我怎么调节幅值，出来的波形图的幅值都不满足要求；后来经过同学和老师的帮助之下，知道了在调节上下幅值时也要调节载波的幅值。后来出来的波形的图形满足了我们这组的输出要求（输出电流5A,输出电压15V）。在这过程中，让我感受到了之前理论学的不够扎实，动手能力有点差。通过这次课程设计，不仅让我加深了很多课本上的知识，也锻炼了我们独自思考和动手的能力。我了解到怎样把自己在书本上学习到的知识应用到实际的工作之中，也学到很多待人处事的道理，这将对我以后的工作和学习中将是我的宝贵财富。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、