电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-45V10V

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称：电力电子技术题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-45V/10V课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-45V/10V课题内容及指标要求课题内容：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和负载电流的波形指标要求：1、输入直流电压(VIN)：45V，输出电压(VO)：10V，输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV2、负载电阻：R=1Ω，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=100kHz3、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*F4、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起止日期2016年6月20日-2016年6月24日2016年6月17日目录TOC\o"1-3"\h\u一、课题背景 课题背景1.1课题意义通过本电路的的设计和调试，让我对matlab软件的有了更多的理解和应用，对以前不了解的一些功能，通过网上查找资料以及钻研软件，有了一定的了解。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。让我们对电路也有了一定的理解和认识，对各种参数的计算，每个元件的有了了解。1.2介绍BUCK电路的工作原理1.2.1BUCK电路的主电路图图1-1主电路图1.2.2工作原理当t=0时刻驱动V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。当t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。1.2.3基本的数量关系输出电压值为（1-1）负载电流值为：（1-2）1.3BUCK开关电源的应用开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。开关电源驱动IC（4OOO-336-5I8）SM7055应用于BUCK、BUCK-BOOST系统方案，支持12V和18V输出电压，很方便的应用于小家电产品领域。并提供了过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，保证了系统的可靠性。SM7075-12是采用电流模式PWM控制方式的功率开关芯片,集成高压启动电路和高压功率管，为低成本开关电源系统提供高性价比的解决方案。芯片应用于BUCK系统方案，支持12V输出电压，很方便的应用于小家电产品领域。并提供了过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，保证了系统的可靠性。课程设计的要求(1)输入直流电压(VIN)：45V；输出电压(VO)：10V；输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV(2)负载电阻：R=1Ω；电感电流脉动：输出电流的10%；开关频率(fs)：100kHz(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。课题设计方案3.1系统的组成3.1.1闭环系统闭环系统的框图如下图3-1所示：直流变换直流变换控制对象采样网络PWM控制器补偿控制器输入电压45VGvd(s)H(s)-+VREF参考电压Gc(s)Gm(s)图3-1闭环系统的框图3.1.2各部分的功能直流变换：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。3.2主电路部分的设计3.2.1、滤波电感的设计开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程如式(3-1)、(3-2)所示：（3-1）（3-2）=0.1ms(3-3)由上得：(3-4)已知输入直流电压VIN=45V,输出电压Vo=10V,电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V,二极管通态压降VD=0.5V,电流脉动峰值为1A。所以可以算出TON=2.36μS，L=81.04μH。3.2.2电容等效电阻的设计输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关。(3-5)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50~80μΩ*F。本例中取为75μΩ*F。(3-6)3.3闭环系统的设计3.3.1开环原始传递函数将Vm=2V,H(S)=0.2,VIN=45V,C=1.5mF,Rc=0.05欧，L=81.04uH，R=1欧代入传函表达式：（3-7）得到：（3-8）3.3.2用matlab计算相角裕度所用matlab程序：num=[0.0003375,4.5]den=[1.216*10^-7,8.104*10^-5,1]G0=tf(num,den)margin(G0)图3-2由上图可知：用matlab绘制波德图，如图3-2所示，得到相角裕度34.4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。3.4双极点双零点补偿控制器的设计3.4.1有源超前-滞后补偿网络有源超前-滞后补偿网络如图3-3所示图3-3图3-33.4.2补偿器的传递函数（3-9）有源超前—滞后补偿网络有两个零点和三个极点。零点公式为：=228.2416HZ（3-10）=228.2416HZ（3-11）极点为：为原点，=100000HZ（3-12）=100000HZ（3-12）频率与之间的增益可近似为:=0.5134（3-13）在频率与之间的增益则可近似为：=224.9291（3-14）考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取:（为开关频率）（3-15）开环传函的极点频率为：（3-16）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：（3-17）将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。3.5根据传递函数绘制伯德图和相角裕量综上所得以下为本电路各元件的参数：取R2=10KΩ。已知VIN=45V;L=8.104*10^(-5)H;C=1.5*10^(-3)F;fs=100*10^3HZ;R=1Ω;Vm=2V;H=0.2;Rc=0.05Ω;3.5.1程序clc;clear;Vg=45;L=8.104*10^(-5);C=1.5*10^(-3);fs=100*10^3;R=1;Vm=2;H=0.2;Rc=0.05;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)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2=fsfp3=fs[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*10^3;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2*pi*fp2*R3)C2=1/(2*pi*(fp3-fz1)*R2)R1=1/(2*pi*fz2*C3)-R3num=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)3.5.3伯德图和相角裕量1伯德图如下图3-4所示：图3-42相角裕度如图3-5所示：图3-5补偿后的相角裕度分析图由伯德图可知，补偿后的相角裕度155度。3.6闭环系统的仿真3.6.1传递函数1补偿器的传递函数为：（3-18）2BUCK变换器闭环传递函数：（3-19）3.6.2仿真结果1补偿前仿真图如图3-6所示：图3-6补偿前局部图如3-7所示图3-72补偿后仿真图如图3-8所示：图3-8补偿后局部图如图3-9所示：图3-9心得本次课程设计完成了设计的基本要求详尽的阐述了设计依据，工作原理叙述，BUCK电路的设计，传递函数参数计算，电路仿真。在韩霞老师指导下，通过自己查找资料，一些参考文献，了解到开关稳压电源是一个采用电力电子变换和控制技术相结合的直流电压源，它有很多的优点，应用广泛。这次课程设计不仅我对相关专业知识有了更深的理解，而且还让我认识到了理论知识对工作实践的重大意义，学会理论联系实际。课程设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切由教材和老师安排。因此，它给了我更大的发挥空间。通过这次设计提高了我认识问题、分析问题和解决问题的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。参考文献[1]/view/f30dd6b36529647d2728523a.html?from=search[2]/p-143030146.html[3]/q/1444326633726003[4]/q/1463753774727095[5]自动控制原理教程（第二版）电子工业出版社出版[6]电力电子技术（第五版）机械工业出版社出版[7]电力电子课程设计指导书附录附录一当开关管S闭合的等效电路图，如图5-1所示图5-1当开关管S闭合的等效电路图附录二系统的动态结构图如图5-2所示：GGc(s)Gm(s)Gvd(s)H(s)R(s)C(s)++图5-2动态结构图附录三所用matlab程序：num=[0.0003375,4.5]den=[1.216*10^-7,8.104*10^-5,1]G0=tf(num,den)margin(G0)附录四BUCK变换器原始回路传函：两个零点的频率：fz1=228.2416HZ，fz2=228.2416HZ两个极点的频率：fp1=456.4832HZ，fp2=100000HZ,fp3=100000HZ频率与之间的增益可近似为:AV1=0.5134频率与之间的增益则可近似为:AV2=224.9291电阻：R1=1.9434e+004Ω，R3=44.4585Ω电容：C1=6.9731e-008F,C2=1.5952e-010,C3=3.5799e-008F补偿器的传递函数为：BUCK变换器闭环传递函数附录五闭环系统如图5-3所示图5-3基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种