電力電子技術(shù)課程設(shè)計-BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究--45V10V

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計 說 明 書課程設(shè)計名稱：電力電子技術(shù)題目：BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 45V/10V課題名稱BUCK開關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-45V/10V課 題 內(nèi) 容 及 指 標(biāo) 要 求課題內(nèi)容：1、根據(jù)設(shè)計要求計算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，完成開關(guān)電路的設(shè)計2、根據(jù)設(shè)計步驟和公式，設(shè)計雙極點-雙零點補償網(wǎng)絡(luò)，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型庫搭建開環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、觀察并記錄系統(tǒng)在額定負(fù)載以及突加、突卸80%額定負(fù)載時的輸出電壓和負(fù)載電

2、流的波形指標(biāo)要求：1、輸入直流電壓(VIN)：45V，輸出電壓(VO)：10V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV 2、負(fù)載電阻：R=1，電感電流脈動：輸出電流的10%，開關(guān)頻率(fs)=100kHz3、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD，電感中的電阻壓降VL，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75*F4、采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為，占空比為2%，相位延遲進(jìn)程安排第1天 閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，熟悉設(shè)計要求和設(shè)計方法第2天 根據(jù)設(shè)計原理計算相關(guān)主要元件參數(shù)以及完成BUCK開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計第3天 熟悉MA

3、TLAB仿真軟件的使用，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型第4天 仿真調(diào)試，記錄要求測量波形第5天 撰寫課程設(shè)計說明書起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目錄一、 課題背景1111.2.1 BUCK電路的主電路圖1111.3 BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用2二、 課程設(shè)計的要求3三、 課題設(shè)計方案443.1.1 閉環(huán)系統(tǒng)43.1.2 各部分的功能443.2.1、濾波電感的設(shè)計43.2.2 電容等效電阻的設(shè)計53.3 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計53.3.1 開環(huán)原始傳遞函數(shù)563.4 雙極點雙零點補償控制器的設(shè)計63.4.1 有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)63.4.2 補償器的傳遞函數(shù)783.5.1 程序

4、93.5.3 伯德圖和相角裕量10113.6.1 傳遞函數(shù)113.6.2 仿真結(jié)果12心得14參考文獻(xiàn)15附錄161、 課題背景 通過本電路的的設(shè)計和調(diào)試，讓我對matlab軟件的有了更多的理解和應(yīng)用，對以前不了解的一些功能，通過網(wǎng)上查找資料以及鉆研軟件，有了一定的了解。 BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸入電壓Ui。通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。讓我們對電路也有了一定的理解和認(rèn)識，對各種參數(shù)的計算，每個元件的有了了解。BUCK電路的工作原理1.2.1 BUCK電路的主電路圖 圖1-1 主電路圖 當(dāng)t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電

5、源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。當(dāng) t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。輸出電壓值為 （1-1）負(fù)載電流值為： （1-2）1.3 BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈袋，電腦機箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。開關(guān)電源驅(qū)動IC （4OOO-336-5I8）SM7055應(yīng)用于BUC

6、K、BUCK-BOOST系統(tǒng)方案，支持12V和18V輸出電壓，很方便的應(yīng)用于小家電產(chǎn)品領(lǐng)域。并提供了過溫、過流、過壓、欠壓等完善的保護(hù)功能，保證了系統(tǒng)的可靠性。SM7075-12是采用電流模式PWM控制方式的功率開關(guān)芯片,集成高壓啟動電路和高壓功率管，為低成本開關(guān)電源系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。芯片應(yīng)用于BUCK系統(tǒng)方案，支持12V輸出電壓，很方便的應(yīng)用于小家電產(chǎn)品領(lǐng)域。并提供了過溫、過流、過壓、欠壓等完善的保護(hù)功能，保證了系統(tǒng)的可靠性。2、 課程設(shè)計的要求(1) 輸入直流電壓(VIN)：45V；輸出電壓(VO)：10V；輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV(2) 負(fù)載電阻：R=1；電感電流脈

7、動：輸出電流的10%；開關(guān)頻率(fs)：100kHz(3) BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75*F(4) 采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。3、 課題設(shè)計方案系統(tǒng)的組成3.1.1 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的框圖如下圖3-1所示：直流變換控制對象采樣網(wǎng)絡(luò)PWM控制器補償控制器輸入電壓45V Gvd (s)H(s)-+ VREF參考電壓Gc(s)Gm(s)圖3-1 閉環(huán)系統(tǒng)的框圖3.1.2 各

8、部分的功能1、 直流變換：將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。2、 控制對象：控制實驗的對象。3、 采樣網(wǎng)絡(luò):采樣電壓與參考電壓Vref比較產(chǎn)生的偏差。4、 PWM控制器：控制PWM的波形。5、 補償控制器：校正后來調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比。3.2.1、濾波電感的設(shè)計開關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程如式(3-1)、(3-2)所示： （3-1） （3-2） =0.1ms (3-3)由上得： (3-4)已知輸入直流電壓VIN=45V,輸出電壓Vo=10V,電阻壓降VL=0.1V,開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,二極管通態(tài)壓降VD=0.5V,電流脈動峰值為1A。所以可以算出TON=S，L=H。3

9、.2.2 電容等效電阻的設(shè)計輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)。 (3-5)電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，但C與RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080*F。本例中取為75*F。(3-6)3.3 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1 開環(huán)原始傳遞函數(shù) 將Vm=2V,H(S)=0.2,VIN=45V,C=mF,Rc=歐，L=uH，R=1歐代入傳函表達(dá)式： （3-7）得到： （3-8）用matlab計算相角裕度所用matlab程序：num=0.0003375,4.56*10-7,8.104*10-5,1G0 =tf(num,den)margin(G0)圖3-2由上圖可知：用matlab繪制波德圖，如圖3-2所

10、示，得到相角裕度34.4度。由于相角裕度過低。需要添加有源超前滯后補償網(wǎng)絡(luò)校正。3.4 雙極點雙零點補償控制器的設(shè)計3.4.1 有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)如圖3-3所示圖3-3圖3-33.4.2 補償器的傳遞函數(shù) （3-9）有源超前滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個零點和三個極點。零點公式為： = HZ （3-10）=228.2416HZ （3-11） 極點為： 為原點， =100000HZ （3-12） =100000HZ （3-12）頻率與之間的增益可近似為: （3-13） 在頻率與之間的增益則可近似為：= （3-14）考慮達(dá)到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取: （為開關(guān)頻率） （

11、3-15）開環(huán)傳函的極點頻率為： （3-16）將兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳函兩個相近極點頻率的，則： （3-17）將補償網(wǎng)絡(luò)兩個極點設(shè)為以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。綜上所得以下為本電路各元件的參數(shù)：取R2=10K。已知VIN=45V; L=8.104*10(-5)H; C=1.5*10(-3)F; fs=100*103HZ; R=1; Vm=2V; H=0.2; ;3.5.1 程序clc;clear;Vg=45;L=8.104*10(-5);C=1.5*10(-3);fs=100*103;R=1;Vm=2;H=0.2;Rc=0.05;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm,L*C,

12、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=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*103;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,

13、(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 伯德圖和相角裕量1 伯德圖 如下圖3-4所示：圖3-42 相角裕度 如圖3-5所示：圖3-5 補償后的相角裕度分析圖由伯德圖可知，補償后的相角裕度155度。閉環(huán)系統(tǒng)的仿真3.6.1 傳遞函數(shù)1 補償器的傳遞函數(shù)為： （3-18）2 BUCK變換器閉環(huán)傳遞函數(shù)：（3-19）3.6.2 仿真結(jié)果1

14、補償前仿真圖 如圖3-6所示：圖3-6 補償前局部圖如3-7所示圖3-72 補償后仿真圖 如圖3-8所示：圖3-8補償后局部圖 如圖3-9所示：圖3-9心得 本次課程設(shè)計完成了設(shè)計的基本要求詳盡的闡述了設(shè)計依據(jù)，工作原理敘述，BUCK電路的設(shè)計，傳遞函數(shù)參數(shù)計算，電路仿真。在韓霞老師指導(dǎo)下，通過自己查找資料，一些參考文獻(xiàn)，了解到開關(guān)穩(wěn)壓電源是一個采用電力電子變換和控制技術(shù)相結(jié)合的直流電壓源，它有很多的優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。 這次課程設(shè)計不僅我對相關(guān)專業(yè)知識有了更深的理解，而且還讓我認(rèn)識到了理論知識對工作實踐的重大意義，學(xué)會理論聯(lián)系實際。課程設(shè)計要求我們完全依靠自己的能力去學(xué)習(xí)和設(shè)計，而不是像以往課程

15、那樣一切由教材和老師安排。因此，它給了我更大的發(fā)揮空間。通過這次設(shè)計提高了我認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。參考文獻(xiàn)1 /view/f30dd6b36529647d2728523a.html?from=search2 :/ docin 3 4 5自動控制原理教程（第二版） 電子工業(yè)出版社出版6電力電子技術(shù)（第五版）機械工業(yè)出版社出版7電力電子課程設(shè)計指導(dǎo)書附錄附錄一當(dāng)開關(guān)管S閉合的等效電路圖，如圖5-1所示圖5-1當(dāng)開關(guān)管S閉合的等效電路圖附錄二系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖5-2所示： Gc(s) Gm(s) Gvd (s) H(s)R(s)C(s)+圖5-