基于双零双极控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究.doc

基于双零双极控制方式的6A开关电源MATLAB仿真研究 学院： 电气与光电工程学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 13 电二 姓名： 学号： 2017年1月9日目 录第一章 绪论11.1 BUCK电路的工作原理11.2 BUCK电路的应用1第二章 设计要求22.1指标要求与计算：2第三章 设计方案23.1系统组成23.2主电路部分的设计33.3闭环系统的设计43.4闭环系统仿真7第四章 总结10第五章 参考文献10第六章 附录102第一章 绪论1.1 BUCK电路的工作原理图1-1 BUCK电路结构 图1-2 开关导通和关段时等效电路BUCK斩波电路的基本原理是：电感L和电容C组成低通滤波器，使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t)的谐波分量；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ur(t) 。1.2 BUCK电路的应用BUCK电路主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC/DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电；并广泛应用于电源电路中，例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。第二章 设计要求2.1指标要求与计算：1、 输入直流电压，输出电压，输出电压纹波电压2、 输出电流，负载电阻，电感电流脉动为输出电流的，开关频率3、 主电路二极管的通态压降，电感中的电阻压降，开关管导通压降,滤波电容与电解电容的乘积为4、 采用压控开关实现的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为，周期为，占空比为，相位延迟。第三章 设计方案3.1系统组成系统主要分为主电路部分与控制电路部分，主电路即为图3-1中的部分，控制电路包括测量电路、反馈电路与脉冲出发电路，主电路、控制电路共同构成闭环系统。图3-1 Buck变换器主电路图3.2主电路部分的设计1、 输入输出电压为时的、计算：变换器主电路如图下所示，为电容的等效电阻。电容等效电阻和滤波电感的计算过程如下： 2、滤波电感L的计算S开通：S关断： 3.3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。校正前开环传递函数：用Matlab绘制Bode图，所用matlab程序：图3-4 未矫正系统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-滞后补偿器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）3.4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-双零点控制系统仿真(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，仿真结果如下：图3-9 Buck电路不加干扰仿真结果与局部截图可以看出：系统表现表现为二阶阻尼振荡，阻尼比1，这个参数主要是由电感值C决定的。脉动电流滞环宽度由限幅器限幅参数决定，经过调试，系统电压脉动在稳态时的误差小于1%(3) 积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.07，下限为1.07，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0.05s，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3-10 Buck电路加干扰仿真结果与局部截图第四章 总结本次设计我花了很长时间，从老早就开始准备了，期间得到了很多老师和同学的帮助，我在草稿纸上计算了校正前的开环传递函数和所有参数，但是校正不太会，后来我用MATLAB中的程序直接得到了校正环节的传递函数和校正后的开环传递函数。在设计电路的时候，卡在校正环节参数的选择很长时间，后经同学指点恍然大悟，立刻就做出了仿真结果，而且跟老师的要求完全符合，特别是电压，几乎是一条直线。经过这次设计，我有一种成就感，我感觉自己学到了很多很多东西。我打算在剩下的大学时光里，多学点知识，以便在社会上使用。感谢老师的指导和同学的帮助。第五章 参考文献1 王兆安，刘进军. 电力电子技术M. 5版. 北京：机械工业出版社，20092 张占松，张心益. 开关电源技术教程M. 北京：机械工业出版社，2012第六章 附录MATLAB参考程序：Vg=15;L=329/11250000;C=0.0018;fs=100*103;R=5/6;H=0.3;Vm=1.5G0=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)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2 =fsfp3=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*103R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2*pi*fp2*R3)C2=1/(2*pi*fp3*R2)R1=1/(2