buck开关电源闭环控制仿真研究.docx
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buck开关电源闭环控制仿真研究
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
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：
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：
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
≤1
2
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
≤3
3
PPT
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
≤1
4
PPT
效果
5
效果生动，能利用多媒体技术
多媒体效果良好、动画生动
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
≤1
5
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：
.
《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：
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；
5
2
课题实用性
紧密联系实际工程，真实企业产品体现
5
3
资料完整性
上交资料齐全、信息完整，装订规范
5
4
格式规范性
图、表、公式、流程图、图纸等规范
5
5
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
5
6
论述质量
语句通顺、条理清楚、参数准确
5
7
广度、深度
分析具体、全面，设计细节描述清晰
10
8
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：
项目名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/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Vpp≤50mV
2.负载电阻：
R=2Ω，电感电流脉动：
输出电流的10%，开关频率（fs）=60kHz
3.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75μΩ*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：
副教授
一、引言
随着电力电子技术的快速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，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。
2.1BUCK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
2.2BUCK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1buck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2IGBT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3IGBT关断时的波形
至一个周期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Ui，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。
2.3BUCK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。
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）：
2Ω
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=0.5V
四、课题设计方案过程
4.1开环系统设计（主电路设计）
①电容等效电阻RC和滤波电感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50~80μ*ΩF。
本例中取为75μΩ*F。
计算出RC和C的值。
（4-1）
（4-2）
（4-3）
②滤波电感的计算
（4-4）
（4-5）
（4-6）
求得：
L=0.0002H
4.2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8BUCK系统框图
4.3.2BUCK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）=0.2，
=55V，C=0.75mF，Rc=0.045Ω，L=0.0002H，R=2Ω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）
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=10000
R3=15.1649；
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（TransportDelay）的时间延迟（TimeDelay）为0.0002，积分（Integrator）的饱和度上限（Uppersaturationlimit）为2.538，下限为2.53，绝对误差（Absolutetolerance）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（含干扰负载）
五、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制，张卫平，中国电力出版社
3、《电力电子应用技术的MATLAB仿真》林飞，中国电力出版社，2009
4、电力电子课程设计指导书本院编；
5、电力电子技术应用教程，蒋渭忠，电子工业出版社
七、附录
附录一
num=[0.00037,5]
den=[6.6*10^-7,2*10^-4,2]
G0=tf（num,den）
Margin（G0）
附录二
Vg=55;L=2*10^（-4）;C=1.65*10^（-3）;fs=60*10^3;R=2;Vm=4.4;H=0.2;Rc=0.045;
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_G;
AV2=fp2/fg*marg_G;
R2=10*10^3
R3=R2/AV2
C1=1/（2*pi*fz1*R2）
C3=1/（2*pi*fp2*R3）
C2=1/（2*pi*（fp3-fz1）*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）
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