电力电子课程设计

电力电子课程设计-BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称：电力电子题目：BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真一15V/5V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：07电单学生姓名：学号：指导教师姓名：职称：讲师2011年1月聲卅*琴隆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：学生姓名指导教师韩霞职称讲师课题名称BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真-15V/5V1、 根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，设计PID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课流的波形4、撰写课程设计说明书，要求包括：题一、封面二、目录工三、正文1、降压变换器的基本原理作2、BUCK变换器主电路参数设计2.1设计内容及要求内2.2主电路设计(占空比、滤波电感、滤波电容的设计)3、 BUCK变换器闭环PID控制的参数设计容3.1主电路传函分析3.2补偿环节的设计4、 BUCK变换器闭环系统的仿真1仿真参数及过程描述4.2仿真模型图及仿真结果5、 总结(含心得体会)6、参考文献(不少于6篇)21、 输入直流电压(V):15VIN2、 输出电压(Vo):5V3、 输出电流(I):10AN指标4、输出电压纹波峰-峰值Vpp?50mV)5、 锯齿波幅值Um=1.5V目标6、 开关频率(fs):100kHZ)要7、 采样网络传函H(s)=0.3求8、 BUCK主电路二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻压降V=0.1V,开DL关管导通压降V=0.5V,滤波电容C与电解电容R的乘积为75uQ*FONC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PID系统的设计进第3天熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型程安第4天仿真调试，记录要求测量波形排第5天撰写课程设计说明书1、 电力电子课程设计任务书本院编2、 电力电子课程设计指导书本院编3、 王创社，乐开端等，开关电源两种控制模式的分析与比较，电力电子技术，1998，3，78一81;主4、 徐辅东，电流型控制开关变换器的研究与优化，西南交通大学硕士论文，要2000年4月。参5、 梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等•自动控制元件及线路[M].北京:科学出版考社，2005.9-10.文6、 王兆安，刘进军•电力电子技术[M].北京•机械工业出版社,2010.1.献7、 胡寿松.自动控制原理[M].北京•科学出版社,2007.6.地起止秋A6152011.1.17—2011.1.21点日期指导教师:韩霞2011年1月13日目录、BUCK变换器的基本原理 5二、BUCK变换器主电路参数设计 5Buck变换器性能指标 5Buck变换器主电路设计 6三、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计 ..7 7 3.1反馈回路设计3.2传函分析 7补偿环节的设计 9四、BUCK变换器闭环系统的仿真 Buck变换器闭环仿真参数及指标 ..12Buck变换器闭环仿真电路原理图 ..13Buck变换器的闭环仿真结果与分析 14五、课程总结 14六、 参考文献 15七、 附录 15附录1 附录 152 16一、BUCK变换器的基本原理Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如图1.1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压;当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。电路的主要工作波形如图1.2。QA+Lf+VinUoRUbDCf图1.1Buck变换器电路UbQOffQONt0UAVint0iL,iLt0图1.2Buck变换器的主要工作波形二、BUCK变换器主电路参数设计2.1Buck变换器性能指标1、 输入直流电压(V):15VIN2、 输出电压(V):5VO3、 输出电流(I):10AN4、 输出电压纹波(V):50mVrr5、 PWM锯齿波基准电压(V):1.5Vref6、 负载调整率S?5%I57、 开关频率(f):100kHzs8、 采样网络传函H(s)=0.39、 BUCK主电路二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻压降V=0.1V,DL开关管导通压降V=0.5V,滤波电容C与电解电容R的乘积为75uQ*F0NC2.2Buck变换器主电路设计2.2.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比:U5V1o(式2-1)D,,,U15V3i2.2.2滤波电容C输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，VV50mVrrrrRm,,,,,25C(式2-2),，iIA0.20.210LNC与R的乘积趋于常数，约为50~80口*QF。本例中取为75口Q*F，由式(2-2)可得CR=25mQ，则C=3000uFoC2.2.3滤波电感L开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2-3)、(2-4)所示:VVVVLiT,,,,,/(式2-3)INOLONLONVVVLiT，，,,/(式2-4)OLDLOFF

根据Buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻D压降V=0.1V,开关管导通压降V=0.5V。LON将数据代入（式2-3）、（式2-4）得LiT,,,,,,/1550.10.59.4(1)LONLiT,,，，,/50.10.55.6(2)LOFFTT/47/28,(1)/(2)得(3)OFFONlTTfus,,,,110又因为，可得T=3.73口S,将此值回代式(1),ONOFFSON100KHZ可得L=17.5uH三、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计3.1反馈回路设计补偿网络电路如下图所示:补偿网络电路如下图所示:图3.1有源超前—滞后补偿网络Ry反馈回路既H（s）取0.3,即为0.3。取Ry为3K欧姆，Rx为7K欧姆。RRxy，一端接地。Ry3.2传函分析加了补偿器之后的BUCK变换器系统框图和系统主电路图如下图所示：系统框图如下:图3.2Buck变换器系统框图主电路图如下：7电源输入MOS开关变换器负荷Li+感应增益H(S)VgvRLC-误差信号门极驱动VcHvVe脉宽调制Gc(s),,(t)补偿器参考输入VreftdTTss图3.3主电路图整个Buck电路包括Gc(s)补偿器，Gm(s)PWM控制器，Gvd(s)开环ref比较产生的偏差通过补传递函数和H(s)反馈回路。采样电压与参考电压V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U0作出相应的调整，来消除偏差。开环下，传递函数Gvd为：VsCR1，，，INC(式3-1)vdG,2L1，，ssLC带入(式3-1)数据得:,515(17.510)，，SvdG,,,58213.5105.2510，，，，SS原始回路增益函数为:G0VsCR1，，，1INCGsGsHsGsHs()()()()(),,,,,,(式3-2)Omvd2LVm1，，ssLCR带入(式3-2)数据得：,,53115(17.510)30.22510，，，，SSG,，，,0.30,,,,5825821.513.5105.251013.5105.2510，，，，，，，，SSSS8用MATLAB仿真得开环下系统的伯德图为：:31iiTl・ial■g■*■■F-rfft^i:31iiTl・ial■g■*■■F-rfft^i--l：、'*丹'l~~'iV5=■■■-Y■■*■■J-« ■■nfj^i=i九*r?F7*"4'*~r f__*if■r：2.”一•-•■—1ma 讨 m1 w「“俱咅i?Mww]图3.4开环传递函数的伯德图G0由MATLAB得：BCde审妙的©e«miaPn■■祐tleg(#§4je-+C£i：iia£Lrs«;j图3.5开环传递函数的相角裕度和幅值裕度G0相角裕度只有40.4度，相角裕度过低，不满足设计要求。需加入补偿器。可采用有源超前滞后校正器。所用MATLAB程序如下：num二[0.225*10=33];den二[5.25*10=83.5=51];G=tf(num,den);margin(G)3.3补偿环节的设计根据已知条件使用MATLAB程序(见附录1)算得以下各参数值：补偿器的传递函数为：9(1)[1()]，，，sRCsRRC21133cGs(),RCC212[()](1)(1)sRCCssRC，，，11233CC，12,,7232.101100.9167101，，，，ssGs(),c,,,17310232.28102.865100.900410，，，，，sss滞后补偿网络有两个零点、三个极点。有源超前-1fz1,零点为：=347.3046HZ,21RC211fz2,,=347.3046HZ1331322,,RRCRC，，，1fp2,fp1极点为：为原点，=1000000HZ,RC3321fp3,=1000000HZRCC212,212CC，R2频率fz1与fz2之间的增益可近似为:二0.5091AV1,R1RRRR2132,,,3在频率fp2与fp3之间的增益则可近似为:二1.46610,AV2,,RRR133，fs100考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取fgKHZ,,,2055(fs为开关频率)G(s)开环传函的极点频率为：011fHZ,,,694.96，PP1,2,12,LC2，，，，23.1417.53000101,,,,GscGso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：211fzfzfHZ,,,,,。12694.96347.48pp1,222，，fffsKHZ,,,100Gsc将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹PP23波。fRz221,,cg2,AVGjf,,=0.5091g1fR10fRp2232,,cg2,AVGjf=,,1.46610,g3fRBUCK变换器闭环传递函数：GSGSGS,,()(),,0C,,,,,2451741138231.197101.504104.728103.18100.900410,,,,,,,,sssssGs(),,,,1137234.72710s8.365102.97510s3,,,,,,s根据已知条件使用MATLAB程序(见附录1)算得校正器Gc(s)各元件的值如下:取R2=10000欧姆H(S)=0.3算得:R1=1.964e+004欧姆R3=6.8214欧姆C1=4.5826e-008FC2=1.5915e-011FC3=2.3332e-008F补偿器伯德图为:

图3.6超前滞后校正器的伯德图加入补偿器后:11tilltillJIW-U1I；FL汕韵i.Htr«ffl：,-Trif占欧g(alV:论iOLn；E*■rff■■(■t■Xj!nYin""'i^r~ti，r*ibti""■■1—r-i''n'lf'™Ini"i'"Yir-r—图3.7加入补偿器后系统的伯德图相角裕度和幅值裕度为：BodeDc^rwi伽=E出.silrriadf£tt:..Fm=1Wwji i*n・：BC)图3.8加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度相角裕度到达172度，符合设计要求。（所用MATLAB程序见附录1）四、BUCK变换器闭环系统的仿真4.1Buck变换器闭环仿真参数及指标为了验证闭环控制的工作原理及正确性，采用SABER软件对电路做了仿真分析。仿真所用的参数为:,输入直流电压:Vin=15V;,输出直流电压:Vo=5V;,开关频率：fs=100KHz;12,输出电流：Io=10A;,输出滤波电感:Lf=17.5uH;,输出滤波电容:Cf=3000uF;,采样分压电阻:Rx=7KQ,Ry=3KQ;,参考电压:Vref=1.5V;,补偿网络：R1=19.647KQ,R2=10KQ,R3=6.8214Q,C1=0.45826nF,C2=159.15nF，C3=0.23332nF;,载波信号：锯齿波Vm=1.5V,T=5ms4.2Buck变换器闭环仿真电路原理图

--—,A0lilUlIT；L-HSMlI--—,A0lilUlIT；L-HSMlIhl'MLiL.USL伽flL：：=■-曲・4小沁灿图4.2闭环仿真电路原理图134.3Buck变换器的闭环仿真结果与分析仿真结果如下图4.3图4.3闭环仿真输出电压与负载电流波形五、课程总结本次电力电子课程设计针对Buck变换器进行了详细的介绍，包括Buck电路的工作原理分析、Buck电路的主电路参数设计、Buck电路的闭环参数设计及Buck电路的闭环仿真。通过闭环控制，可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。考虑到实际应用和软件修改的方便，设计中补偿电路采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。另外，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有三个极点、双零点补偿的有源超前-滞后补偿网络。增设的两个零点补偿由于Buck变换器的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。这次课程设计是我对于电力电子与自动控制系统课程的检测，在理论的基础上把它运用到实际生活中。查阅资料，与同组同学交流的过程也是一种学习。也让我学会了MATLAB仿真软件的使用，通过它来检测系统的稳定性和抗干扰能力，让我真正做到学以致用。14六、参考文献梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等•自动控制元件及线路[M].北京:科学出版社，2005.9-10.王兆安，刘进军•电力电子技术[M].北京•机械工业出版社,2010.1.[3]胡寿松•自动控制原理[M].北京•科学出版社,2007.6.[4]电力电子课程设计任务书本院编;电力电子课程设计指导书本院编;阮毅陈伯时主编电力拖动自动控制系统一运动控制系统•机械工业出版社七、附录附录1所用MATLAB程序如下：clc;clear