电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--55V-22V.docx

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书 课程设计名称： 电力电子 题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 55V/ 22V课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V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)：55V，输出电压(VO)：22V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=2，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz3、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日目录第一章 电力电子设计目的及设计要求11.1电力电子设计目的11.2电力电子设计要求1第二章 电力电子设计过程22.1 BUCK变换器原理和开关电源应用22.2 电容等效电阻Rc和滤波电感C的计算32.3 滤波电感L的计算32.4 闭环系统的设计42.4.1 闭环系统结构图42.4.2 Buck变换器原始回路传递函数的计算52.4.3补偿器的传递函数设计62.5 闭环系统仿真92.5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标92.5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图92.5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析10第三章 总结11参考文12附录13第一章 电力电子设计目的及设计要求1.1电力电子设计目的此次电力电子课程设计中，有四个目的：1. 了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理2. 掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算3. 运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真4. 掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿环节的设计与仿真技术1.2电力电子设计要求本次电力电子课程设计要求中，有七个要求：1. 输入直流电压（Vin）：55V2. 输出电压（Vo）：22V3. 输出电压纹波峰-峰值：Vpp55mV4. 负载电阻：R=25. 电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz6. 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75*F7. 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0.006S15第二章 电力电子设计过程2.1 BUCK变换器原理和开关电源应用此次课程设计主电路如下图所示：Buck变换器主电路从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使Vin的直流分量可以通过，而抑制Vin的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 Vin 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，它小于相对于电容上输出的直流电压Uo。 电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续 直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。 其中BUCK开关电源的应用值得说一说，它的发展方向是高频、高可靠、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此，国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件，特别是该变二次整流器的损耗，并在功率铁氧体（Mn，Zn）材料上加大创新，以提高性能。2.2 电容等效电阻Rc和滤波电感C的计算 上图中Rc为电容的等效电阻（ESR），输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，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50-80*F。本例中取为75*F。计算出Rc和C的值。（2-1）2.3 滤波电感L的计算 开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程可以计算。S开通：（） （2-2）S关断： （2-3） 最终得到 （2 -4）2.4 闭环系统的设计2.4.1 闭环系统结构图整个Buck电路包括为补偿器，为PWM控制器，为开环传递函数和为反馈网络。采样电压与参考电压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，输出电压做成相应调整来消除偏差。Gc(s):补偿控制器 Gm(s):锯齿波PWM控制器 Gvd(s):直流变换和控制对象 H(s):采样网络2.4.2 Buck变换器原始回路传递函数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为： （2-5）其中为锯齿波PWm环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值的倒数。为采样网络传递函数，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。将，带入传递函数表达式，得到： （2-6） 所用matlab程序：num=0.0001875，2.5 den=3.33465*10-7，1.0105*10-4,1 G0 =tf(num,den) Margin(G0)用matlab绘制伯德图，得到相角裕度28.4度。 由于相角裕度过低，因此需要添加有源超前滞后补偿网络校正。之后才能得到正确适当的相角裕度！加上补偿器是必不可少的！ 下图为补偿前伯德图。2.4.3补偿器的传递函数设计补偿器补偿器的传递函数为：（2-7）有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：， （2-8）极点为：为原点， （2-9）频率与之间的增益可近似为：在频率与之间的增益则可近似为：考虑达到抑制输出开关纹路波的目的，增益交接频率取：开环传递函数的极点频率为： （2-10）将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相似极点频率的，则将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。先将取值，根据公式可推出： （2-11） 计算过程通过matlab再根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。补偿器伯德图为：加入补偿器之后：2.5 闭环系统仿真2.5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标所用的参数指标为：1. 输入直流电压（Vin）：55V2.输出电压（Vo）：22V3.输出电压纹波峰-峰值：Vpp55mV4.负载电阻：R=25.电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz6.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75*F7.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0.006S2.5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图闭环仿真原理图2.5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析不含干扰负载含干扰负载 经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.602，下限为1.02，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为60kHz，幅值为22V的锯齿波。第三章 总结经过一个星期的不停书写，计算，程序绘图终于搞定了此次的电力电子课程设计，虽然坐在电脑前不停地弄来弄去很累，但是真的时间过的很快，很充实，一个星期不知不觉就过去了，在之间，我们对BUCK变换器进行了详细的介绍，包括电路分析及原理解释、主电路参数设计、闭环参数的抑制干扰和BUCK电路的闭环仿真。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。这次课程设计是对于我们电力电子与自动控制课程的检测，在理论中的基础上把它运动到实际生活中。查阅资料，与同组同学交流的过程也是一种学习。也熟练熟悉并运用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，也让我真正做到了学以致用。最后，感谢老师在这次课程设计中对我们的指导和纠正。参考文1. 陆治国编著，电源的计算机仿真技术，科学出版社，TM91/222. 李传琦编著，电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版社，TM-33/103. 杜飞编著，电力电子应用技术的MATlab仿真，中国电力出版社，TM769/54. 黄忠霖编著，电力电子技术的MATLAB实践，国防工业出版社，TM1/3345. 徐德洪编著，电力电子系统建模及控制，机械工业出版社，TM1/3066. 张卫平编著，开关变换器的建模与控制，中国电力出版社，TN624/67. Marty BROWN编著，开关电源附录计算传递函数M文件程序：clc;clear;Vg=55;L=2.021*10(-4);C=1.65*10(-3);fs=60*103;R=2;Vm=17.6;H=0.8;Rc=0.045;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)*fp1;fz2=(1/2)*fp1;fp2=fs;fp3=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*103;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2*pi*fp2*R3)C2=1/(2*pi*fp3*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！