课程设计-buck开关电源的应用大学论文.doc

目 录第1章 课题背景11.1 BUCK电路的工作原理11.2 BUCK开关电源的应用1第2章 课题设计要求1第3章 课题设计方案13.1 参数13.2 系统的组成23.3 主电路部分的设计23.3.1 滤波电感的计算33.3.2 滤波电容的计算33.4 开环系统的分析33.4.1 开环原始传递函数的计算33.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图43.5 闭环系统的设计43.6 双极点双零点补偿控制器的设计53.6.1 补偿网络电路的原理分析53.6.2 补偿器伯德图73.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析83.7 闭环系统的仿真93.7.1 电路模块的添加93.7.2 仿真电路参数的设置93.7.3 仿真结果10第4章 总结心得10第5章 参考文献11第6章 附录11第1章 课题背景1.1 BUCK电路的工作原理BUCK开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。1.2 BUCK开关电源的应用开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它巨大的作用决定了对它研究的意义。第2章 课题设计要求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第3章 课题设计方案3.1 参数图3-1 Buck变换器主电路图11、 输入直流电压(VIN)：32V。2、 输出电压(VO)：18V。3、 负载电阻：3。4、 输出电压纹波峰-峰值Vpp50mV ，电感电流脉动：输出电流的10%。5、开关频率(fs)：80kHz。6、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。7、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。当s导通时有： （） （1）当s关断时有： （2）t与的关系： （3）3.2 系统的组成整个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：3-2。 图3-2 系统传函框图3.3 主电路部分的设计3.3.1 滤波电感的计算由公式，其中 （4），其中，R=3 （5） （6）设计要求中，求得，。3.3.2 滤波电容的计算由前面的公式（1），（2），（3）及一些参数，。算得：，。3.4 开环系统的分析3.4.1 开环原始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GO(s)为： （7）其中， （8）其中，是分压电阻，它们的取值是不固定的，但是他们的单位要是级的，这样整个电路的误差会小。此次设计，它们的单位是。 （9）将数据代入公式（7），得 =3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图将的表达式输入到MATLAB软件中，可以得到如图3-3所示的伯德图，由图可知=25.6deg。相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。 图3-3 开环原始传递函数的伯德图3.5 闭环系统的设计 图3-4 闭环系统结构框图图3-4中包含输入电源，滤波电感，滤波电容，负载，脉冲信号，续流二极管，参考电压以及一些传递函数。3.6 双极点双零点补偿控制器的设计3.6.1 补偿网络电路的原理分析图3-5 有源超前-滞后补偿网络电气图图3-5中的有源超前-滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成，通过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式： （10）有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。 （11） （12） （13） （14） （15） （16）零点为： （17） （18）极点为：为原点 （19） （20）频率与之间的增益可近似为: （21）在频率与之间的增益则可近似为： （22）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）：kHz (23)开环传函的极点频率为： (24)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 (25)将补偿网络两个极点设为,以减小输出的高频开关纹波。 (26) (27)根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件的值如下（程序见附录），取R2=10000欧姆：=1.4259；=548.0150；=18.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；=1.9894e-010；=7.0133e+003。通过公式（10）得出：=3.6.2 补偿器伯德图 图3-6 补偿器伯德图 3.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析图3-7 加入补偿器后系统的伯德图由图可知，在加入补偿器之后的=152deg,它远远大于未补偿之前的=25.6deg，相角裕度增加，达到设计的要求。3.7 闭环系统的仿真3.7.1 电路模块的添加在MATLAB软件中，点击Simulink,新建一个.mdl的文件，然后按照仿真电路图向其中添加相应的模块。本次的课程设计所需的模块大多数都在SimpowerSystem中，如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,Pulse Generator,Ideal Switch,R,Voltage Measurement,Scope,Transport delay,gelding,Transfer Fcn,Saturation,3.7.2 仿真电路参数的设置输入的直流电压为18V。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。设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.006，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为0.8349，下限为0.832，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为80kHz，幅值为14.4V的锯齿波。3.7.3 仿真结果图3-8 未加干扰仿真图图3-9 加干扰仿真图第4章 总结心得通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。本课程设计是在韩霞老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到最终的完成，韩老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。在此对钱老师表示最衷心的感谢！ 第5章 参考文献1 电力电子技术 王兆安 机械工业出版社 2 开关电源技术教程 张占松 机械工业出版社3 电源的计算机仿真技术 陆治国科学出版社4 电力电子技术计算机仿真实验李传琦电子工业出版社5 电力电子应用技术的MATlab仿真杜飞中国电力出版社6 电力电子技术的MATLAB实践黄忠霖国防工业出版社7 电力电子系统建模及控制徐德洪机械工业出版社第6章 附录附录1 MATLAB所用程序：clc;clear;Vg=32;L=1.624*10(-4);C=9*10(-4);fs=80*103;R=3;Vm=14.4;H=0.8;Rc=0.083;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)附录2 仿真电路原理图： 13