电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--25V5V.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- 25V/5V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-25V/5V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)：25V，输出电压(VO)：5V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、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 课题背景41.1 BUCK电路的工作原理41.2 BUCK开关电源的应用7第二章 课题设计要求82.1课题内容：8第三章 课题设计方案93.1主电路部分的设计93.2闭环系统的设计103.3闭环系统仿真14第四章 总结及心得体会15第五章 参考文献16第六章 附录1615第一章 课题背景1.1 BUCK电路的工作原理BUCK电路基本结构如下图;图1-1 基本电路结构及开关导通时等效电路 开关关断时等效电路图1-2 等效电路模型（1）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 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。（2）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，相对于电容上输出的直流电压Uo有: 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。（3）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。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为： 此增量将产生一个平均感应电势: 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析如下；图1-3 BUCK电路结构图1-4 开关导通和关段时等效电路a、 晶体管导通状态VD关段，依据等效电路拓扑，有： (1-4)由于电路工作频率很高，一个周期内输入和输出电压基本维持不变，可以视为恒定值，那么输入和输出的差值为常数，电流变化为线性，波形如图所示； (1-5) (1-6) (1-7)b、 二极管VD导通模式晶体管关段，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑有： (1-8)同样，由于输出电压视为维持不变，则输出电流线性减小，波形如图所示；有： (1-9) (1-10)图1-5 BUCK电路各点波形1.2 BUCK开关电源的应用开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、簿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件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn）材料上加大科技创新，以提高在高频和较大磁通密度（Bs）下获得高磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。模块化是开关电源发展的总体趋式，可以采用模块化电源组分布式电元源系统，可以设计成N+I亢余电源系统，并实现联系方式的容量扩展。而采用部分谐板转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术应用问题，故仍需在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量工作，以使得该项技术得以应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。它的应用面之广、应用数量之大是任何电力电子电源都无法比拟的。由于高频开关电源的应用面最广、应用的数量多，因而从事高频开关电源研发的工程科技人员也是最多的。第二章 课题设计要求2.1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2.2指标要求：1、 输入直流电压(VIN)：25V，输出电压(VO)：5V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV2、 负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz3、 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。第三章 课题设计方案3.1主电路部分的设计1、电容等效电阻RC和滤波电感C的计算Buck变换器主电路如图下所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。图3-1 Buck变换器主电路图输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关， ohm （3-1） (3-2)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5080*F。设计中取为75*F。 (3-3)2、滤波电感L的计算S开通：（） (3-4)S关断： (3-5)最终得到3.2闭环系统的设计1、闭环系统结构框图图3-2 闭环系统框图整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）开环传递函数和H(S) 反馈网络。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Uo做成相应调整来消除偏差。系统传函框图如下所示；图3-3 传递函数框图2、BUCK变换器原始回路传函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GO(s)为： 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，为开环传递函数。将,H(S),=25V,C=750,Rc，L=124.43uH，R=1代入传函表达式，得到：用Matlab绘制Bode图，所用matlab程序：num=0.375，5den=9.316*10-8，1.242*10-4,1G0 =tf(num,den)Margin(G0)Transfer function: 1.875e-005 s + 2.5-9.322e-009 s2 + 1.243e-005 s + 10图3-4 Bode图由于相角裕度过低，需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3、补偿器的传函设计图3-5 有源超前-滞后补补偿器的传递函数设计补偿器的传递函数为：有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：，极点为：为原点，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：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：计算过程通过Matlab变成完成。根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。如下图所示；图3-6 Bode图1图3-7 Bode图2先将R2任意取一值，然后根据公式可推算出R1，R3，C1，C2，C3，进而可得到Gc（S），根据Gc (S) 确定Kp，ki,kd的值。依据上述方法计算后，Buck变换器闭环传递函数：G(s)=GO(s)Gc (s)计算过程可通过Matlab编程完成。根据闭环传函，绘制波德图，得到相角裕度，验证是否满足设计要求。（参考程序见附录）3.3闭环系统仿真(1) 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3-8 Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(2) 对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），并记录波形。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1.5，下限为1.3，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为100kHz，幅值为1.5V的锯齿波。(4) 设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。(5) 系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。其中采用压控开关S2实现负载的突加、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20%，相位延迟0.006S。图3-9 输出电压和负载电流的波形图3-10 局部放大图第四章 总结及心得体会通过这次的电力电子课程设计，我对这学期所学的知识有了进一步的了解，比如BUCK电路的工作原理；滤波电感及滤波电容公式的推算；MATLAB软件的使用，电路仿真时参数的调节等以及画原理电路图时的整体布局。在这一次的课程设计不但充分结合了电力电子所学的知识，将这些知识进行了综合运用，而且还把我这一学期所听到的，见到的关于电力电子方面的知识应用到了其中。通过这学期的学习，使我对电力电子的内容有一个总体了解，对它在各个领域的应用上升到了一个新的高度。这些将对以后走上工作岗位，从事有关电力电子的工作有着重要的作用，同时也为我以后学习其他的知识打下了坚实的基础。在这次的课程设计过程中也遇到了一些问题，比如在绘制电路图过程中有些命令不会使用；在计算时有些公式不理解，对一些电路图原理及调试参数的不理解等。这些问题在同学和老师的帮助以及自己上网搜索，最后都逐一的解决了，顺利地完成了课程设计。这使我明白，仅仅依靠我们所学的知识来完成课程设计是不够的，我们需要不断地学习知识，因为知识在不断更新，同时学习也是一个知识积累的过程。第五章 参考文献1电力电子系统建模及控制，徐德洪，机械工业出版社2开关变换器的建模与控制，张卫平，中国电力出版社3电力电子应用技术的MATLAB仿真，林飞，中国电力出版社，20094电力电子课程设计指导书 ，本院编5电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社6电力电子技术 第五版,王兆安，机械工业出版社，20097电源的计算机仿真技术,陆治国，科学出版社8 电力电子技术的MATLAB实践，黄忠霖，国防工业出版社第六章 附录参考程序如下：Vg=25;L=124.3*10-6;C=750*10-6;fs=70*103;R=1;H=0.2;Vm=2 G0=tf(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=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi)marg_G=1/marg_G0AV1=fz2/fg*marg_G;AV2=fp2/fg*marg_G; R2=10*103 R3=R2/AV2 C1=1/(2*pi*fz1*R2) C3=1/(2*pi*fp2*R3) C2=1/(2*pi*fp3*R2) R1=1/(2*pi*C3*fz1) num=conv(C1*R2 1,(R1+R3)*C3 1) den1=conv(C1+C2)*R1 0,R3*C3 1) den=conv(den1,C1*C2*R1/(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！