电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--20V8V.docx

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY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- 20V/8V2016年6月指导教师： 职称： 讲 师课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-20V/8V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)：20V，输出电压(VO)：8V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=0.8，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=80kHz3、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1qV，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75*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 录一、课题背景11.1课题的意义11.2 BUCK电路的工作原理11.3 BUCK开关电源的应用3二、课题设计要求3三、课题设计方案43.1系统的组成43.2主电路部分的设计43.2.1 占空比D的计算43.2.2滤波电容C的计算43.2.3滤波电感L的计算53.3 BUCK变换器闭环PID控制的参数设计53.3.1 反馈回路的设计53.3.2 闭环回路的设计63.3.3传递函数的分析63.4 BUCK变换器原始回路传函G0(s)的计算73.5 补偿环节的设计8四、BUCK变换器闭环系统的仿真114.1 Buck变换器闭环仿真电路图114.2 Buck变换器的闭环仿真结果分析14五、总结及心得体会15六、参考文献15七、附录16一、课题背景 1.1课题的意义电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流交流直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。 其中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GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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，因此发展很快。1.2 BUCK电路的工作原理如图所示中V的栅射电压波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。t=时控制V关断，二极管VD续流，负载电压近似为零，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。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。 (1-1)图1 降压斩波电路的原理图图2 降压斩波电路电流连续和断续波形1.3 BUCK开关电源的应用直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。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、课题设计要求1、输入直流电压(VIN)：20V，输出电压(VO)：8V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV。 2、负载电阻：R=0.8，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=80kHz。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=0.1qV，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75*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。三、课题设计方案3.1系统的组成 图3 Buck变换器闭环系统的框图为锯齿波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。补偿控制器场地函数，抑制输出开关纹波的目的。3.2主电路部分的设计 3.2.1 占空比D的计算根据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： （式3-1）3.2.2滤波电容C的计算输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，则 （式3-2）C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。本例要求取为75*F，由式(3-2)可得RC=50m，则C=1.5mF。3.2.3滤波电感L的计算开关管导通与关断状态的基尔霍夫电压方程分别 （式3-3） （式3-4）又因为 （式3-5）根据Buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V，将数据代入（式3-3）和（式3-4）后，由以上三个方程可以解得L=61.275H。3.3 BUCK变换器闭环PID控制的参数设计3.3.1 反馈回路的设计补偿网络电路如下图所示：图3.1 有源超前滞后补偿网络取输出端反馈电压的分压电阻RX=6k，RY=2k,则3.3.2 闭环回路的设计闭环回路结构框图如下所示：图3.2 闭环回路结构整个BUCK电路包括GC(s)补偿器，Gm(s)PWM控制器，Gvd(s)开环传递函数和H(s)反馈回路。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控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Vo作出相应的调整，来消除偏差。3.3.3传递函数的分析加了补偿器之后的BUCK变换器系统传递函数的框图如下图所示：图3.3 BUCK变换器系统传函框图3.4 BUCK变换器原始回路传函G0(s)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G0(s)为： (式3-1)采样网络传递函数H(s)为：将Vm=Vref=2V,H(s)=0.25,VIN=20V,C=1.5mF,RC=0.05，L=61.275H，R=0.8代入（式3-1）可求得根据已知条件使用Matlab程序（见附录1）绘制伯德图如下所示：图3.4 开环传递函数的伯德图由上图可知，相角裕度只有35.7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。3.5 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：有源超前滞后补偿网络有两个零点和三个极点。零点为：=262.4840HZ =262.4840HZ极点为：为原点，=80000HZ =80000HZ频率与之间的增益可近似为:=1.0008在频率与之间的增益则可近似为：= 305.0098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）开环传函的极点频率为： 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： 将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。BUCK变换器闭环传递函数：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 ,算得：R1=1.2491e+004,R3=40.9823,C1=6.0634e-008F,C2=1.9960e-010F,C3=4.8544e-008F。补偿器伯德图为：图3.5 超前滞后校正器的伯德图加入补偿后的伯德图为：图3.6 加入补偿器后系统的伯德图相角裕度到达152度，符合设计要求。四、BUCK变换器闭环系统的仿真4.1 Buck变换器闭环仿真电路图用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）：图4.1 闭环系统仿真图（不含干扰负载）仿真结果图如下所示：图4.2 闭环系统输出电压和负载电流波形图图4.3 闭环系统输出电压和负载电流局部放大波形图用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图（含干扰负载）：图4.4 闭环系统仿真图（含干扰负载）仿真结果图如下所示：图4.5 闭环系统输出电压和负载电流波形图图4.6 闭环系统输出电压和负载电流局部放大波形图4.2 Buck变换器的闭环仿真结果分析从图4.2可以看出输出电压和电流的峰值分别在11V和14A左右，电压和电流的调节时间均在0.006S左右，响应速度很快。从图4.3可以看出输出电压和电流达到稳态时，电压和电流的输出误差在V（或A）左右，输出比较平稳。从图4.5可以看出加入干拢后输出电压和电流峰值分别在11V和14A左右19V和14A左右，电压和电流的调节时间（第一次达到稳态）均在0.01S左右。与之前未加干拢相比，波动相对较大，调节时间较长。从图4.6可以看出输出电压和电流达到稳态时，电压和电流的输出误差也在V（或A）左右，与之前未加干拢时的输出值差不多，也比较平稳。五、总结及心得体会通过不断的更改参数，使得出应该的波形，在使用Matlab 中simulink仿真在课程设计过程中培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；也增加综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；更增加了运用知识的能力和工程设计的能力；提高课程设计报告撰写水平。这次的课程设计是我收获比较大的一次，做课程设计比较棘手，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，但是重要的是首先要把设计任务搞清，不能盲目地去做，如果连任务都不清楚从何做起呢，当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导，没有他们的指导以及平时灌输给我们的知识，我们根本就无从动手，是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计六、参考文献1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，2005.9-10.2 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； 5 电力电子课程设计指导书 本院编；6 阮毅 陈伯时 主编电力拖动自动控制系统运动控制系统.机械工业出版社七、附录附录1：所用Matlab程序如下：clc;clear;Vg=20;L=6.1275*10(-5);C=1.5*10(-3);fs=80*103;R=0.8;Vm=2;H=0.25;Rc=0.05;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm,L*C,L/R,1)figure(1);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C)margin(G0);fg=(1/5)*fsfz1=(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*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)1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 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11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究 12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发 13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制 14. 基于单片机的自动找平控制系统研究 15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发 16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发 17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现 18. 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 19. 基于双单片机冲床数控系统的研究 20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制 21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 22. 基于单片机的软起动器的研究和设计 23. 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 24. 基于单片机的机电产品控制系统开发 25. 基于PIC单片机的智能手机充电器 26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究 27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究 28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制 29. 基于微型光谱仪的单片机系统 30. 单片机系统软件构件开发的技术研究 31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制 33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用 34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制 35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制 36. 基于单片机的数字磁通门传感器 37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究 38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究 39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制 40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪 41. 基于单片机的电机运动控制系统设计 42. Pico专用单片机核的可测性设计研究 43. 基于MCS-51单片机的热量计 44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站 45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究 46. 基于单片机的轮轨力检测 47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现 48. 基于单片机的电液伺服控制系统 49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制 50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究 51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究 52. 单片机控制的后备式方波UPS 53. 提升高职学生单片机应用能力的探究 54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究 55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究 56. 基于单片机的多通道数据采集系统 57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制 58. 基于单片机的红外测油仪的研究 59. 96系列单片机仿真器研究与设计 60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现 62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制 63. 基于单片机的气体测漏仪的研究 64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器 65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究 66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计 67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计 68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统 69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统 70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究 71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践 72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现 73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统 74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究 75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统 76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用 78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究 80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发 81. 基于Cygnal单片机的C/OS-的研究82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究 83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现 84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究 85. 基于单片机-免疫计数器自动换样功能的研究与实现 86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现 87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统 88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现 89. 单片机监测系统在挤压机上的应用 90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用 91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用 93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发 94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计95. 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 96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发 97. 锅炉的单片机控制系统 98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计 99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制 100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现 101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计 102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制 104. 基于ADC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计 106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 107. 单片机实现的寻呼机编码器 108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究 109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究 111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制 112. PIC单片机在空调中的应用 113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究 项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！单片机论文，毕业设计，毕业论文，单片机设计，硕士论文，研究生论文，单片机研究论文，单片机设计论文，优秀毕业论文，毕业论文设计，毕业过关论文，毕业设计，毕业设计说明，毕业论文，单片机论文，基于单片机论文，毕业论文终稿，毕业论文初稿，本文档支持完整下载，支持任意编辑！本文档全网独一无二，放心使用，下载这篇文档，定会成功！17