【《基于SimuLink的升降压斩波电路仿真与优化（论文）》9200字】

目录 1 12国内外发展现状及存在问题等 2第一章升降压斩波电路原理分析 31.1绝缘栅双极晶体管IGBT 31.2BUCK-BOOST斩波电路 5第二章PID控制原理 7第三章开关电路的小信号解析建模 9第四章BUCK-BOOST斩波电路建模(电流连续模式) 第五章基于PID控制的升降压斩波电路(系统识别) 第六章基于PID控制的Buck-Boost变换器分析(基于小信号分析建模法) 22摘要：斩波电路是一种由电力电子器件组成的对直流电压进行大小变换的电力电子电路，又称作直流变换器。其通常用来提高系统工作效率，尤其是对高电力系统效率问题作出一系列解决方案。通过对电力电子器件的高速开关控制，将不固定的电源输入直流电压转换成特定大小的(负载所需的)直流电压，根据调整占空比调整输出脉冲顺序的长度，调整输出电压平均值，最终经过滤波环节，在负载上取得可控稳定的直流输出输出电压。[6本文通过分析对比Buck-Boost升降压斩波电路开环控制与PID控制的各项性能指标(暂态及稳态性能),给出具体结论，具有一定的实际意义。关键词：升降压斩波电路，PID,自整定，小信号建模前言电力电子技术，是一门运用电力电子元器件对能源进行转换与管理的科学技术，其主要是进行能量转换。所采用的功率电子元件大多是由半导体收音机构成的，故我们也称其为高功率半导体元件(赵晨光，李雅宁，2022)。电力变换分类如表0-1所示：输出输入交流电力控制、变频作为一个新兴学科，电力与电子技术中包含了电力原理、电子学和自动控制。它属电气工程范畴，其内容主要涉及变换电路、电力电子器件、电力电子装备与控制系统，应用于一般的工业、电力系统、电子设备供电、道路交通、家用电器用作电动机的调速是直流变换器的首要功能，依靠其优秀的电压及励磁调节功能。电枢电压大小及磁场方向影响了电机转子转动速度，由此分析，可以用斩波电路控制电机电枢电压，在这类情况下即改变斩波电路开关占空比进而调节电压，即电机电枢电压(高文和，杨涵韵，2024)。另外，通过对斩波电路进行电磁调控，进而可以按需调控电机转速。因此直流电机配合直流变换器调压在高速动车组、城市轻轨、地铁等交通工具得到了广泛的应用。作为直流供电电源是直流斩波器的另一个应用。使用场合有差异，各种负载所需直流电压大小也不尽相同，使用过多的直流电源给不同负载供电无疑会增加设备投资和装置容量，而使用直流斩波器就能够把原来恒定不变的、唯一的直流输入电压转换成负荷环境所要求的固定的、各种电压级别的直流供电电压，既减小了设备容量和体积，也使得投资大大降低(王子和，何丽娜，2024)。在此类环境内之所以将此类电源称为开关电源，是因为直流斩波电路通常工作在开关状态。斩波电路系统在计算机网络、电力系统、交通等各个领域中也获得了广泛的使本文主要研究分析斩波器用作直流供电方面的一些问2国内外发展现状及存在问题等(1)斩波电路当今世界上软开关技术(在电力电子开关导通与关断的过程中分别加入谐振电路，使得开关过程中电压或电流将为0,从而减小器件损耗)的蓬勃发展促使直流式斩波器技术产生了质的变革与飞跃(孙泽宇，王佳慧，2019)。在此类情况下由日本联美兰达公司推出的一款高频电源模块RM系列，由于采用了软开关式电源技术，其开关式电源频率拥有200-300KHz广泛变化范围，且具有较大的功率密度，并通过同步整流器技术，即将原本的肖特基二极管用电力场效应晶体管代替，从这些评论中感受到使得整套系统利用率提升到了百分之九十。[8直流斩波电路凭借其优异的性能越来越多地应用于各类生产活动中，但是以下列举的问题仍1.系统自身结构特性(电源内阻、连接导线电阻及接触电阻等)会造成自2.绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极电阻Rg会伴随驱动器件电压额定值的提高而降低，而栅极电阻Rg的改变也会对集成电路的特性产生影响。3.驱动电路的过电流和过电压保护。20世纪以来，电力电子科学技术向着小型化和轻量化的方向发展，而开关式电源系统也因为其体积小，重量轻和高性能的优势因而广泛应用于各类电子产品中。而作为开关式电源系列中的一类，从这些评论可以理解直流斩波集成电路的变换方式已达到了模块型，其设计技术和生产工艺都已经比较完善和规范(吴天宇，刘昕怡，2019)。直流斩波电路转换方式是把原来恒定的直流电压改变成所需要大小的直流电压，主要用于直流电向不同大小的直流电转换场合(周浩然，陈梓积大等优势，在这般的场景下在电力电子技术应用中有了很大(2)Buck-Boost变换器和Cuk斩波电路性能分析标题中提到的斩波电路是两种结构完全不同，功能相同(变换直流电压，都可双向变化)的直流变换器，这在某种程度上凸显了从二者的特性及结构分析但是输入电流变化剧烈，导致输入电源收到电磁干扰且输出电压波动较大。根据这些初步的研究成果，本文可以提出更多具有前瞻性的假设和研究方向，推动该领域的知识边界不断向前拓展。这些假设和研究方向不仅基于当前现状深入分析，还结合了领域内的最新动态和未来趋势，旨在探索未知领域、解决现实问题并引领学术前沿。通过进一步的研究和验证，本文有望揭示更多关于该领域的深层次规律和机制，为理论体系的完善和实践应用的创新提供有力支持。同时，这些前瞻性的研究也将激发更多学者和研究机构的关注和参与。Cuk变换器其输入输出电流不会出现断续的情况，从这些背景中看容易进行滤波(与Buck-Boost斩波电路相比较),但是由于Cuk斩波电路所需器件较多(要求电感电容各两个),电容作为储能元件，动态过程复杂，会出现超调因而目前普遍采用基于PID控制的Buck-Boost变换器进行直流斩波输出。直流-直流变换电路是电力电子技术中不可或缺的一类电路，也是构成其他大型电路的重要组成部分。然而为了完成各项电能转换任务，且保证电路安全运行，仅依靠斩波电路是无法实现的，在这类情况下需要和其他电1.1绝缘栅双极晶体管IGBT现介绍一种绝缘栅双极晶体管(由N型沟道电力场效应晶体管和普通双极性晶体管组合而成),其结构如图1-1所示(孙俊熙，王悦琪，2019)。相比较于普内以至于构成了一条大规模的PN结J1。这使绝缘栅双极晶体管在其导通的在N-偏移区中要求高阻抗和要求低导通电流之间的问题(杨文杰，赵佳工具和分析模型，力求构建一个全面、多维度的研究框架。通过跨学科的视角和方法，本文能够更深入地理解研究对象的本质和复杂性，揭示不同领域之间的内在联系和相互影响。这种跨学科的整合不仅有助于本文突破传统学科界限的束缚，还能激发新的研究思路和方法，为问题的解决提供更广阔的视野和更丰富的资源。通过综合运用不同领域的理论和方法，本文得以更全面地分析和C制电阻集电极基区调制电阻RffUffGEIGBT与电力MOSFET二者均为场控器件。从这些评论中感受到其导电力MOSFET内部的电压沟道消失，导致GTR的基区输出电好的耐冲击电压的能力，导通时器件两端压降较低，为电压驱动型器件。图1-3Buck-Boost斩波电路原理图R并联，负载电压Uo即为电容电压，可在IGBT断开时短时间内保持Uo不变相符，在研究时严格遵守了科学研究的规范和方法论原则。本文采用了严格的设计确保了研究和的准确性和可靠性，同时进行深入分析以验证理论模型的有效性。在研究过程中本文还不断对外部条件进行控制以排除潜在干扰因素，确保研究结果的客观性和可重复性。这一系列的严谨操作不仅增强了本文对研究足控制需求(超调量，稳态误差，调节时间),广泛应用于生产生活中。由式2-1可以定义比例加微分加积分控制器的控制作用：式2-2各参数意义：Kp,Ki,Kd分别代表比例、积分、微分增益系数。其图2-1所示：两个开环零点，令分母等于0,有一个开环极点(位于复平面(0,j0)处),通过加入PID环节，在此类环境内改变了原系统的传递函数以及原系统的零极点分布图，极点等效于在系统前馈通道中级联积分环节，对原系统的稳态性能的改善起到了显著的作用，两个开环零点中一个与开环极点抵消，另一个一种经典的直流-直流自动变换器系统的基本构造如图2-2显示。以Buck-Boost变换器为例，系统的核心部分是Buck-Boost斩波电路，同时包括了控制系统常用的负反馈控制电路(吴书怡，王昕妍，2024)。在此类情况下在系统负反馈的作用下，斩波电路输出实时电压经过采样环节后与控制目标相比较，将产生的误差信号送入放大补偿环节(PID),并经过脉宽调制(PWM)后，获得了一些控制器常用和关断情况，在扰动作用于闭环系统时(负载发生变化),从这些评论中感受到或是当系统中遭受某些原因的影响而导致输出电流发生偏转时，通过负反馈的调节此外，为增强控制系统的稳定能力，改善进入与输出波形的品质，使系统安全正常负反馈回路第三章开关电路的小信号解析建模小信号解析建模法：由于电力电子开关的存在，使得开关变换器是非线性变换器符合下列假设3时，将状态方程中的小信号状态量相乘的部分略去(线性1.低频假设：任意一个可控开关的通断周期内，不能含有较低频率的扰动2.小纹波假设：系统可控开关的通断周期要远小于转折周期，即系统中的对BUCK-BOOST斩波电路电路(CCM(连续导电)模式),应用上面的步骤进行小信号建模，这在某种程度上凸显了具体电路模型如图3所示所以电感电流在一个通断周期内的电流平均值i为：等效变换得：Buck-Boost变换器小信号等效模型如图3-2所示：图3-2Buck-Boost斩波电路小信号等效模型从这些背景中看出忽略输入信号时，其小信号电路模型如图3-3所示：L图3-3Buck-Boost斩波电路小信号等效模型(忽略输入信号)对变压器进行化简(一次侧向二次侧归算),等效电路见图3-4:图3-4变压器一次侧向二次侧折算的斩波电路小信号模型在全面性和合理性上均达标，凸显了本研究团队的严谨态度和科学方法。通过深入分析不仅验证了已整理的理论基础，还发现了一些新的现象和趋势，这些发现为相关领域的研究提供了新的视角和思路。在研究过程中，本文注重细节，对每一个关键点都进行了严格的审查和验证，以确保研究结果的准确性和可靠性。同时，本文还积极与同行交流，吸收他们的宝贵意见和建议，不断完善和优化研究方法。这种严谨的科学态度和科学方法，不仅保证了本研究的质量和第四章BUCK-BOOST斩波电路建模(电流连续模式)假设电动汽车电瓶输出电压为36v,在此类环境内且车载电器所需电压为即E=36v,Uo=12v。可控开关IGBT占空比D=Uo/(E+Uo)=0.25L>RT(1-D)²/2=140.625uH,C>D/(R*r*f考虑到较大的电感电容值会导致斩波电路装置过大，综合考虑，取在SimuLink中绘制Buck-Boost变换器仿真模型见图4-1(何慧芳，吴文杰，2024):2mLR其中将电源电压E设置为36v,Pulse用于发出单位矩形脉冲，频率设置为40000Hz,占空比D为0.25,电感L设置为150μH,在此类情况下电容C设置为150μF,电阻负载为20欧，IGBT和二极管Diode为默认设置(谢婷婷，郑志远，2024)。图4-3输出负载电压波形(开环控制)图4-4稳态输出电压波形(开环控制)输出电压波动较大，稳态电压平均值约为11.65v,且无法达到预期目标12v,误差为2.9%,与期望值差距过大。所以采用PID控制的升降压斩波电路，通过第五章基于PID控制的升降压斩波电路(系统识别)建立模型，给定预期输出目标为12v,将实际输出电压反馈给输入端，比较后通过PID模块输出PWM信号发生器，从这些评论中感受到进而控制IGBT通断(罗:Name:tf1Continuous-timeidentifiedtransferfunctioNumberofpoles:2Numberofzeros:1DetailsaboThisisthe'HairDryer'inputistheelectricoutputistheoutletairte图5-2系统识别工具箱识别结果通过PID自整定得到理想kp,ki以及kd。如图5-3和图5-4所示： RESULTS图5-3PID自整定预期效果PIDcontrolalgorithmsandineludeSampletime(-1forinhTypesStateProportional(P):0.027409525215Integral(1):24.78747498Derivative(D):-3.51211946069325Filtercoefficient(N):4160.71586092401TnerAnn)ThisblockimplementscontinuContrDesign).ControllerparametersSelerttuninemethodTranefrFime图5-5预期输出目标，数学模型输出结果以及实际输出电压其中，蓝色为给定预期输出目标，橘黄色为数学应为实际电路输出电压波形，可以看出，从这些评论可合预期要求，但是暂态过渡过程中出现了较大的电压过冲，过电压达到了30损坏实际用电设备(张慧敏，钱文杰，2024)。每个理论模型都是现实世界的一种简化表现，因此总是会包含一些近似处理。这可能导致模型在某些特定情境或极端条件下无法完全准确地反映实际情况。为了弥补这一不足，本文在构建和验证理论模型时，特别注重了模型的适用范围和限制条件，并在研究中进行了充分的讨论和说明。同时，本文还通过与其他研究方法和实证数据的对比，来评估模型的准确性和可靠性。这种综合性的评估方法，有助于本文更全面地理解模型的局限性和潜在风险，为后续的研究和应用提供有益的参考和启示。将给定阶跃信号延迟0.0005s,即在实际中，用电设备接入后0.0005s后开始工图5-6阶跃信号延迟0.0005s后的各电压输出曲线其中，蓝色为给定目标阶跃信号，淡黄色为实际对应数学模型输出波形(陆晓燕，沈志鹏，2024)。可以看出，实际输出电压在稳态时上下波动不超过0.1v,且在暂态过渡过程中过电压不超过16v,满足设备实际使第六章基于PID控制的Buck-Boost变换器分析(基于小信号分析建模法)将已知数据带入式3-14,得:u TUNINGTOOLSThisblockimplementscontinuous-anddiscrete-timePIDcontrolalgorithmsandwindup.externalreset.andsignaltracking.YoucantunethePIDgainsautonaticallyusingthe'Tune..SimulinkControlDiscrete-timesSampletime(-1forODiscreteCompensatorformulaOutputSaturationDataTypesStControllerparametProportional(P):0.61974961271Integral(1):2630.0146155Derivative(D):3.01322069347274e05OKCancelMainInitialization图6-3PID自整定结果图6-4理想实际输出电压曲线图6-4为依照实际电路建立的数学模型结构图，在这般的条件下下图为实际和技术参数都有很大关联。因此为使产品的工程设计更符合实际状况，并实现安全性评估，就有必须设置开关电源完整的小信号模型。在频域模式下，波特图给出了一个简洁方便的分析方法，能够用于进行回路增益估计和