【《基于太阳能的路灯系统的主电路参数计算过程案例》5600字】

基于太阳能的路灯系统的主电路参数计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u18056基于太阳能的路灯系统的主电路参数计算过程案例 1231091主电路参数计算 1102001.1BOOST升压电路参数计算 1189901.1.1BOOST电路电感L 145231.1.2BOOST电路电容C 31661.1.3BOOST电路电力二极管选型 3124311.2BUCK降压电路参数计算 46901.2.1BUCK电路电感L 475211.2.2BUCK电路电容C 5138261.2.3BUCK电路电力二极管选型 577511.3控制电路 7190541.4比例调节的作用 7257951.5PI调节参数计算 741862仿真结果 9227892.1BOOST闭环电路仿真实验 9110402.1.1BOOST闭环电路仿真电路图 9177042.1.2BOOST闭环电路仿真波形一 9184232.1.3BOOST闭环电路仿真波形二 1017922.1.4BOOST闭环电路仿真波形三 1112682.2BUCK电路仿真实验 12260122.2.1BOOST闭环电路仿真电路图 12207482.2.2BUCK闭环电路仿真波形 13204032.3仿真结果分析 14主电路参数计算BOOST升压电路参数计算BOOST电路电感L电感电流是连续的且在一个开关周期内(TS)不会到零，由此输出和输入电压之间的关系:Vout=由公式变形得占空比D：D由此可知BOOST型电路在不同输入电压下的占空比范围为：V代入太阳能电池板输出的42～48V的电压,同时输出电压为59V得：0.102≤D≤0.212即占空比取值范围为0.0102到0.212之间。根据Boost直直斩波变换器的工作波形分析，当Boost直直斩波变换器处于稳定工作状态时，由于在IGBT的一个开关周期内，Boost直直斩波变换器中的续流二极管通过的平均电流等于平均输出电流I0，Boost直直斩波变换器中的电感充电平均电流等于其电感放电平均电流，Boost直直斩波变换器中的电感充电平均电流等于直流端平均输入电流Iin，Boost直直斩波变换器中的电感放电平均电流等于负载端平均输出电流I0，所以在IGBT的一个开关周期内，Boost直直斩波变换器中的二极管平均电流等于负载端的平均输出电流I0等于输入端的平均输入电流Iin。如果设Boost型直直斩波变换器的直流开关电源的效率为100％，则：II即最大电感电流IL1−maxI所谓CCM模式，如果是开关频率固定的它激式电源，负载较大时，为了保持输出电压不变，占空比增大，负载电流较大，开关管关断后，次级二极管通过的电流较大，由于输出电压不变，所以输出电流下降的坡度不变，输出电流还未下降到0时，开关管可能会再次导通，即线圈磁能还没有释放完毕、激磁电流未复位到0，开关管电流会在这个激磁电流的基础上继续上升，由于电源电压不变，所以开关管电流上升的坡度不变。即初级电流上升和次级电流下降的坡度不变，但其起点和终点均抬高，后级下降的起点和终点也会随之抬高。这样使得初级的输入能量加大，次级的输出能量加大。如果是自激式开关电源的话，磁能释放完毕后会立即转向开关管导通阶段，激磁电流复位到0。换言之自激式开关电源并不会工作在CCM模式。为了保证电路能够工作在CCM模式，最小电感电流应大于0，电感取值应满足下式：LL1其中fs为开关频率，开关频率需在开关损耗和元件尺寸折中，如果开关频率太低，会产生噪声（人耳可以听到的开关频率在20kHz以下），而且要求电感电容值大；如果开关频率太高，会引起开关损耗，影响系统的稳定性[6]。综合来看，电感取75μH，开关频率fBOOST电路电容C对于Boost电路，对输出电压的波纹大小起到决定性的作用的是电容阻抗值，因此选择合适的输出电容，能够保证输出电压维持在正常范围内，同时提升整体系统的安全性。输出侧电容C0流过的电流iC0是在开关管导通期间，输出侧电容充当电源，电压是指在负载RL受到电源供电的时候所产生的变化，因此即使电路输入直流电源，仍然会存在输出电压纹波量，当没有输出电容存在时，电路的输出电压纹波会加大，这将严重影响到Boost型DC／DC直流开关电源的性能，因此选择合适的输出电容尤为关键。通常情况下，在电感电流连续的模式状态下，输出电流、开关频率和期望的输出纹波是决定电容的大小的三个要素。在MOSFET开通时，提供整个负载电流的是输出滤波电容。在Boost电路系统中，为了能够满足期望的输出纹波电压：电路的输出电压纹波为：Δ根据设计指标所示：ΔC式中I0C为使Boost型DC／DC直流电源的输出电压纹波小于5％，输出电容取值应大于750μF，本次设计中输出电容取1000μF。BOOST电路电力二极管选型在电路中IGBT导通时，电流由E经升压电感形成回路，电感L储能;当IGBT关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压。因系统最大电流为2.58A，反向击穿电压一般为有效值的1.5倍，本最大导通电流。简称电流，如果没有施加电容滤波，则不应小于负载电流，但施加了电容滤波则要大于负载电流2倍。在本次设计中选取型号为1N1202200V12A的电力二极管。BUCK降压电路参数计算BUCK电路电感Lbuck电路中，在开关开通时电感储能，开关关断时电感给负载续流。同时它和电容组成二阶滤波系统输出比较稳定的电压和电流。电感在BUCK电路中可以减少电流纹波，可以减少电容设计的容量值。当电感充电时得到的能量刚好释放完（即电感电流的最小值正好下降为0的状态）时，IGBT的下一个周期的驱动电平正好到来，这就称为电感电流的临界状态。此时，在临界状态的时候的电感值为电感的临界值，电感电流的其他运行状态就可以根据此电感临界值判断出来，在一个开关周期内，电感电流的最大值与最小值之差等于：ΔU得：D=∆IL表示通过电感的电流大小的始末改变量，用IL表示电感电流的充电或者放电的末端值，用I1表示对应的电感电流的充电或者放电的初始值时，可以满足负载电流平均值为：I在IGBT的一个开关周期内，通过电感电流的平均值IL和流过负载的平均电流I0相等，即： I0将式（4-18）和ΔI I0当电感电流处于临界状态的时候，电感电流的最小值正好等于0，即IL=0，化简式（4-20）可得负载电流在临界状态下的数值为： I0将式（4-19）和式（4-20）带入式（4-21）可得电感数值在临界状态的情况下的大小等于： L=1−D得L=0.05625mH，其中RL=30Ω，fS=1000HZ。BUCK电路电容C在BUCK直直斩波变换电路中，当输出侧的电容容量足够大时，输出电压不会出现波动，即输出电压波形的稳态电压波形不会出现纹波，但在实际的工程设计中，电容的实际容量是有限的，所以此输出电压将会出现纹波，所以本设计在选择滤波电容的容量大小时，不能将滤波电容选得太大，也不能将滤波电容选得太小。当滤波电容的容量取得太大时，可以满足输出电压对纹波的要求，但是大容量的滤波电容会导致设计成本大大增加。当滤波电容的容量取得太小时，虽然小容量的滤波电容能减小设计成本，但是却难以满足输出电压对纹波的精度要求。所以应该将滤波电容尽量选的适中，实际中的滤波电容的容量大小的取值应该根据实际的工程设计中，输出电压的纹波要满足的精度要求来对滤波电容的容量数值进行合理的选择。当I0＞IL时，电感由直流侧的直流电压进行充电，滤波电容C将为输出端的负载R ΔQ=1根据纹波电压峰-峰值电压和电荷量之间的关系式可得 ΔU把式（4-23）带入式（4-24）可得 ΔU将（4-25）式变换可得 C=U根据式（4-26），为使Buck型DC／DC直流电源的输出电压纹波小于5％，则输出电容取值应大于1.67μF时，此处输出电容取5μF。BUCK电路电力二极管选型反向击穿电压，也简称为耐压。要高于你所施加电压的最大值，自一般为有效值的1.5倍；最大导通电流，简称电流，如果没有施加电容滤波，则不应小于负载电流，但施加了电容滤波则要大于负载电流2倍。结果同上，在BUCK电路中选择1N1202200V12A型电力二极管。

控制电路PI调节是一种线性控制，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PI调节可以按照比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。本次设计中采用PI调节器都输出电压进行闭环控制，从而得到系统需要的稳态电压。PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。通过控制量对电路PWM脉冲序列进行控制，这样就可以改变电路的占空比，从而输出想要得到的理想电压，形成闭环调节，可以对被控对象起到控制的作用。比例调节的作用比例调节作用：按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：使系统消除稳态误差,提高无误差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。简单说来，PI控制器各校正环节的作用如下：比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当增加到一定程度，系统会变得不稳定。2．积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度（型别）。

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积分作用的强弱取决于积分常数，积分常数越大，积分作用越弱，反之越强。闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。总的来说，在控制工程实践中，PI控制器主要是用来改善控制系统的稳态性能。PI调节参数计算I型系统指的是开环传递函数的分母，s仅有一个。计算观察电流环的开环传递函数Wcur(s)，使之满足I型系统的条件。I型系统的结构如下式所示：W由于Wcur(s)与I型系统的结构不一样，为了解决这个问题，需要将参数设置成满足Kp/Ki=L/的条件，分子分母都约去一项，就能将电流环变成了I型系统。

Wcur剩下的函数分子Kpwm*Ki/R即为I型系统的分子K，分母中的1.5Ts即为I型系统的T，最后使K*T=0.5即可：kk经过计算可得调节器的PI参数取值为：kk

仿真结果BOOST闭环电路仿真实验本次设计中，BOOST闭环电路实现的功能是将太阳能电池板输出的电压，升压至59V后，给蓄电池采用恒压方式充电。太阳能电池板输出电压范围为42—48V,于是随机抽取42V、45V、48V作为实验数据，以此模拟在太阳能电池板输出电压不同时，该BOOST闭环电路是否能顺利将电压升压至59V后给蓄电池恒压充电。BOOST闭环电路仿真电路图BOOST闭环电路仿真图如下图所示：图9BOOST闭环电路仿真图BOOST闭环电路仿真波形一当太阳能电池板输出电压为42V时，BOOST闭环电路输出电压波形如下图所示：图10BOOST闭环电路仿真波形（42V升至59V）分析该电路仿真波形可以得出，BOOST升压电路将太阳能电池板发出的42V电压成功升至59V，波形快速趋于稳定平缓，没有超调量，满足设计要求。BOOST闭环电路仿真波形二当太阳能电池板输出电压为45V时，BOOST闭环电路仿真波形如下所示:图11BOOST闭环电路仿真波形（45V升至59V）分析该电路仿真波形图可以得出，BOOST升压电路成功将太阳能电池板放出的45V电压升压至59V，没有超调量，陡升至平缓用时短暂，满足本次设计的要求。BOOST闭环电路仿真波形三当太阳能电池板输出电压为48V时，BOOST闭环电路仿真波形如下图所示：图12BOOST闭环电路仿真波形（48V升至59V）分析该电路仿真波形图可以得出，BOOST升压电路成功将太阳能电池板放出的48V电压升压至59V，虽然有超调量，但是非常短暂且未超出百分之二十五，很快波形稳定，电压成功升至59V，满足本次设计的要求。BUCK电路仿真实验本次设计中，BUCK电路所起的作用是将蓄电池组输出的48V电压降压至30V，为负载LED灯供电。以下为对于BUCK电路的仿真验证。BOOST闭环电路仿真电路图BUCK闭环电路仿真电路图如下图所示：图13BUCK闭环仿真电路图BUCK闭环电路仿真波形当蓄电池输出电压为48V时，BUCK闭环电路仿真波形如图所示：图13BUCK闭环电路仿真波形由BUCK闭环电路仿真波形分析可得，采用PI调节器控制的BUCK降压电路仿真波形上升时间虽然比较长，但波形仍然很快趋于稳定，且没有超调量，可以让LED灯满足在恒定亮度下点亮的要求，符合本次设计的要求。仿真结果分析贯彻落实当今世界节能环保的主题，本次设计采用太阳能供电，为新都地区某偏远二级公路设计公路路灯系统。首先BOOST升压电路将太阳能电池板输出的42V到48V