buck开关电源闭环控制仿真研究

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY设 计 说 明 书项目名称：电力电子技术关于BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 55V/22V二级学院： 电气与光电工程学院 专 业：电气工程及其自动化 班级： 13电 学生姓名： 庄祥祥 学号： 13020343 指导教师： 庄志红 职称： 副教授 起止时间： 2016年12月19日 2016年12月31日 专业综合设计与实践“实践”评分标准及评分表姓名： 庄祥祥 学 号： 13020343 序号项目分值标准分类要求分值实际评分1任务功能5任务书指标具体、功能明确，完成课题任务参数具体、明确且实现要求5参数具体，但部分功能未

2、达要求4参数抽象、不够具体，但实现了相关功能3仅实现指标中部分功能2指标不具体，功能笼统、抽象12作品效果15能现场演示或仿真，完成相关指标或功能演示效果良好、数据准确12基本能演示，数据有误差或功能体现不强10-12少部分指标功能未达到要求或未体现出效果7-9不能演示，仅能仿真4-6无法演示，数据基本不真实33PPT内容质量5内容主题鲜明、表达简洁、信息完整主题简洁、思路清晰、重点特出、信息完整5内容显繁琐，概括性不够，思路清楚4内容基本完整，但条理性一般3只能一定程度概括、总结，信息欠完整2仅是说明书中有关内容简单重复，无条理性14PPT效果5效果生动，能利用多媒体技术多媒体效果良好、动画

3、生动5能利用多媒体，效果尚可4能利用多媒体，效果较一般3仅是文字动画播放，效果一般2无多媒体效果，仅是文字播放15回答问题10解释清楚、正确课题内容熟练、问题解释清楚，思路清晰，能力体现强9能力体现尚可，问题解释基本清楚、具体7-8尚能对问题进行解释，但仅是基本知识点方面内容5-6仅能对一些问题进行初步解释，能力表现较一般3-4基本无法回答有关问题2合计（实践部分成绩）40分百分制评阅教师签名： 评阅日期： .3专业综合设计与实践“报告”评阅意见评分表姓名： 庄祥祥 学 号： 13020343 序号项目标准（满分要求）满分实际评分1课题难度功能多、指标高、工作量大； 52课题实用性紧密联系实际

4、工程，真实企业产品体现53资料完整性上交资料齐全、信息完整，装订规范54格式规范性图、表、公式、流程图、图纸等规范55内容完整性对设计过程的方案论证、硬软件、仿真等相关信息，内容齐全，介绍完整56论述质量语句通顺、条理清楚、参数准确57广度、深度分析具体、全面，设计细节描述清晰108加分因素创新性、独创性、综合性，等等+10扣分因素有关资料简单重复，相似度高，等等-10合计（报告部分成绩）40百分制评阅教师签名：评阅日期： 专业综合设计与实践 任务书二级学院： 电气与光电工程学院 班 级： 13电 姓名： 庄祥祥 学 号： 13020343 项目名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/

5、22V 起止时间2016年12月19日2016年12月31日课题内容及其目标(指标)要求内容简介：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 Vpp50mV2.负载电阻：R=2，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(

6、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*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进程安排第 1 天：分组，拟定课题，确定任务和要求；第 2 天：方案论证、比较，拟定设计方案；第 3-5 天：具体方案设计和实践；第 6 天：调试和优化；第 7-8 天：作品测试，撰写设计说明书；第 9 天：制作 PPT；第 10 天：答辩。设计地点指导教师： 庄志红 职 称： 副教

7、授 目 录一、引言1二、课题简介12.1 BUCK变换器PID控制的参数设计12.2 BUCK电路的工作原理22.3 BUCK开关电源的应用3三、课题设计要求33.1 课题内容33.2 参数要求4四、 课题设计方案过程44.1开环系统设计（主电路设计）44.2开环仿真54.3闭环系统设计64.3.1闭环系统结构框图64.3.2 BUCK变换器原始回路传函的计算74.3.3补偿后的系统传函计算84.4闭环系统仿真104.4.1不含干扰负载的闭环系统仿真114.4.2含干扰负载的闭环系统仿真12五、 总结及心得体会13六、参考文献14七、附录15一、引言随着电力电子技术的快速发展，电子系统的应用领

8、域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。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。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。开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。 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

9、波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，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。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、课题简介BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平

10、均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。 2.1 BUCK变换器PID控制的参数设计 PID控制是根据偏差的比例P、积分I、微分D进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。PID

11、控制的本质是一个二阶线性控制器，其优点：1、技术纯熟；2、易被人们熟悉和掌握；3、不需要建立数学模型；4、控制效果好；5、消除系统稳定误差2.2 BUCK电路的工作原理Buck变换器主电路如图1所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。图1 buck电路主电路图当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。电路工作时波形图如图2所示：图2 IGBT导通时的波形 当t=t1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。 图3 IGBT关断时的波形至一个

12、周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为： （4-1）其中，ton为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比，则U0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i，若减小占空比，则Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。2.3 BUCK开关电源的应用开关电源的三大基础拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost。BUCK开关电源主要应用于低压大电流领域，其目的是为

13、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DCDC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。三、课题设计要求3.1 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

14、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负载电流的波形3.2 参数要求输入直流电压(VIN)：55V输出电压(VO)：22V负载电阻(R)：2输出电流(IN):11A输出电压纹波(Vrr)：50mV开关频率(fs)：60kHz负载突变为80%的额定负载电流脉动峰-峰值：二极管的通态压降VD=0.5V，电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V4、 课题设计方案过程4.1开环系统设计（主电路设计） 电容等效电阻RC和滤

15、波电感C的计算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5080*F。本例中取为75*F。 计算出RC和C的值。 （4-1） （4-2） （4-3）滤波电感的计算 （4-4） （4-5） （4-6） 求得：L=0.0002H4.2开环仿真 图4开环系统仿真图在仿真图元件中输入计算的参数，占空比调结为42.4，得到如下仿真结果： 图5电流电压仿真波形 图6电流电压局部放大从上图可知，电压波形稳定在22V左右，电流在11A左右，局部放大后电流误差10%以内，电压波动在上下0.05V以内。4.3闭环系统设计4.3.1闭环系统结构框图 图7

16、闭环系统结构图 Gc(S)-补偿器，Gm（S）-PWM控制器，Gvd（S）-开环传递函数，H(S) -反馈网络。采样电压Hv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做出相应调整来消除偏差。BUCK系统框图： 图8 BUCK系统框图4.3.2 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： （4-7）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Vm=4.4V，H(S

17、)=0.2，=55V，C=0.75mF，Rc=0.045，L=0.0002H，R=2代入传函表达式，得到：用matlab绘制伯德图，根据程序得到伯德图如图9所示 图9补偿前伯德图由上图可知：用matlab绘制伯德图，如图9所示，得到相角裕度21度。由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。4.3.3补偿后的系统传函计算有源超前-滞后补偿网络如图10所示图10有源超前-滞后补偿网络补偿器的传递函数为： （4-8）有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点零点为：， (4-9)极点为：为原点， (4-10)频率与之间的增益可近似为： （4-11）在频率与之间的增益可近似为： （4-12）

18、考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取： （4-13）开环传递的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相近极点频率的，则： （4-14）将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关波纹。 （4-15） （4-16）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)=。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。程序在附录中，所得各参数值及最终传递函数如下：R2=10000R3 =15.

19、1649；C1 =1.1489e-007；C3 =1.7492e-007；C2 =2.6587e-010；R1 =6.5684e+003；补偿后的伯德图如图12所示，相角裕量如图11所示 图11 补偿后相位裕量 图12 补偿后伯德图4.4闭环系统仿真4.4.1不含干扰负载的闭环系统仿真用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），如图所示 图13闭环系统仿真图（不加干扰）对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），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

20、饱和度上限(Upper saturation limit)为2.538，下限为2.53，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为60kHz，幅值为4.4V的锯齿波。设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长得到电压、电流波形，并对稳定值局部放大观察纹波电压和脉动电流值。电压、电流波形如图14所示和局部放大图如图15所示 图14电压电流波形图 图15电压电流局部放大图 从上图可知，不加任何干扰的稳定后的电压在22V左右，电流在11A左右，电压局部放大后误差也在上下0.05之间。4.4.2含干扰负载的闭环系统仿真 图16电压电流仿真图（含干扰

21、负载）5、 总结及心得体会经过两周的专业综合设计，我回顾并进一步学习buck电路的设计。这次课设的名称为BUCK开关电源闭环控制的仿真，在这两周时间里，我学习了BUCK电路的工作原理，如何设计开环与闭环控制系统，传递函数与加补偿期待传递函数的计算，怎么用MATLAB进行仿真，对载波（三角波）幅值参数进行调整，让输出的电流跟电压的幅值符合任务的要求。在调整的过程中，波形一开始偏大，后来经过与同学的讨论，知道了在调节上下幅值时也要调节载波的幅值。最后出来的波形的图形满足了我的输出要求。通过这次课程设计，我感受到我以前学习的一些短板，一些书本上的知识无法熟练的应用到应用上。不过我也体会到合作的重要性，许多不清楚疑惑的地方，在经过与同学的讨论后，最终可以得出一个比较清晰的结果。六、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