电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--50V30V.docx

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

课 程 设 计 说 明 书

课程设计名称：电力电子技术
题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 50V/30V

2016年6月

电力电子课程设计任务书

二级学院：电气与光电工程学院 班级：13电二
组号： 4# 专业：电气工程及其自动化
指导教师： 职称： 讲 师

课题名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-50V/30V
课 题 内 容 及 指 标 要 求
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和负载电流的波形

指标要求：
1、输入直流电压(VIN)：50V，输出电压(VO)：30V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV
2、负载电阻：R=3Ω，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz
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=0.1qV，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 阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法
第2天 根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成BUCK开关电源系统的设计
第3天 熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型
第4天 仿真调试，记录要求测量波形
第5天 撰写课程设计说明书

起止日期
20

目录

一、 BUCK电路的基本原理 1
二、 主电路图的设计 2
1主电路参数设计 2
三、 闭环系统框图 3
1系统传递函数框图 3
2的计算 3
四、补偿器传递函数设计及系统仿真 4
1 补偿器传递函数设计 7
2闭环系统的仿真 7
五 设计总结 10
六 参考文献 11
七 附录 12
程序1 12
程序2 12

一、 BUCK电路基本原理

Buck变换器主电路图

Buck电路是由一个Mosfet S与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1.驱动信号Ug周期地控制Mosfet S的导通与截止，通过改变Ug的占空比D，改变输出电压U0。
　Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。　LDO的特点：① 非常低的输入输出电压差② 非常小的内部损耗③ 很小的温度漂移④ 很高的输出电压稳定度⑤ 很好的负载和线性调整率⑥ 很宽的工作温度范围⑦ 较宽的输入电压范围⑧ 外围电路非常简单，使用起来极为方便。 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。

二、主电路图的设计
1、输入直流电压(VIN)：50V，输出电压(VO)：30V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV
2、负载电阻：R=3Ω，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=70kHz
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=0.1qV，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

主电路参数设计
（一）电容等效电阻RC和滤波电感C的计算
Buck变换器主电路如图下所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。

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。 RC=0.05Ω=50mΩ，C=0.0015F=1500uF。
（二）滤波电感L的计算
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程，

假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。利用，可得TON=8.7μS， L=169.6μH
当L=169.6μH时，
电感电流在0.95~1.10之间脉动，
符合△iL≤0.1IN=1A的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。

三、闭环系统框图
(一)系统传递函数框图

图3-1 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。
（二）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，为开环传递函数。Vref=Vm=9V
假设PFM锯齿波幅值Vm=9V，Rx=3KΩ，Ry=1.3KΩ,可得采用网络传递函数 H（s）=0.3
将Vm=9V,H(S)=0.3,Vin=50V,C=1.5mF,Rc=50m欧，L=169.6uH，R=3欧代入传函表达式，得到：

用matlab绘制波德图，得到相角裕度19.9度。
程序在附录中给出

图4-5
由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。

四、补偿器的传函设计及闭环仿真
补偿网络电路如图

有源超前-滞后补偿网络电路
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。如下所示

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波的目的，增益交接频率取
（为开关频率）
开环传函的极点频率为：

将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的，则：

将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。

根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件的值如下：
取 R2=10000欧姆 H(S)=3/10
算得：R1=5.0098e+03欧姆 R3=11.2783欧姆
C1=1.0100e-07F C2=2.2736e-010F C3=2.0157e-07F
fz1 =157.5869HZ fz2 =157.5869HZ fp2 = 70000KHZ fp3 =70000KHZ
AV1 =1.9961 AV2 =886.6592
由（2）（3）式得：

补偿器伯德图为：

超前滞后校正器的伯德图

加入补偿器后：

加入补偿器后系统的伯德图

相角裕度和幅值裕度为：

加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度
相角裕度到达150度，符合题目设计要求。

闭环系统的仿真
（一）仿真参数：

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)

（二）加PID控制的仿真电路如下图

（三）无干扰时电压、电流波形如下图

我们组的课程设计要求是输入直流电压(VIN)：50V，输出电压(VO)：30V，所以对波形图电压进行了多次的调整，最后稳定在输出电压(VO)：30V上下，调试图如下放大图所示。

(四)稳定之后局部放大电流、电压图：

(五)采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸电流电压波形图（仿真结果）

如上图所示，BUCK电路闭环仿真电路稳定后输出电压为30V，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为30.002V，最小值为29.998V，峰-峰值为0.004V，符合要求；输出电流稳定后为10A，每隔0.012s出现扰动，扰动消失后能很开恢复稳定，系统稳定性较高，最大值为10.002A，最小值为9.998A，峰-峰值为0.004A，符合要求 。

五、总结
本次课程设计是针对BUCK降压斩波器，包括电路的原理分析，buck电路的主电路参数设计，buck电路的闭环设计及buck电路的闭环仿真。由于本学期刚学matlab软件，而且并没有中文版的软件，所以一些功能按钮都要自己摸索学习，看了许多百度上的帖子和各个功能按钮的应用，我们这专业注定是要和各种专业英语打交道的，我感觉专业英语方面有待提高，一些专业术语的英文不熟悉会耽误很多时间。再次强调matlab软件的强大，本专业的许多课程有很多方面设计matlab的仿真，很便于我们学习调试和检测闭环系统的稳定性。在实验过程中，我们被安排的三人一组的形式进行课程设计，我们各自分工，有人完成仿真，有人完成调试，也会积极采取各自的建议，修改一些数据达到最后的实验结果要求。此次课程设计，我更加熟悉了matlab软件、虽然此前有过闭环系统分析方面课程的学习，但本次无疑是加深了对它的了解，从前只是单纯的运算结果，此次结合了波形图仿真，更加直观的认识了闭环系统的组成。

六 、参考文献
[1] 新型单片开关电源设计与应用技术 沙占友 北京：电子工业出版社，2004
[2] 《新型开关电源使用技术》王英剑等 电子工业出版社，1999
[3] 《新型开关电源设计与应用》 何希才 科学出版社，2001
[4] 《新型开关电源设计与维修》 何希才 国防工业出版社，2001
[5] 《电力电子应用技术的MATLAB仿真》 林飞，中国电力出版社，2009

七 、附录
程序1
num=[3.75*10^(-4)，5]
den=[7.632*10^(-7),1.696*10^(-4),3]
G0 =tf(num,den)
Margin(G0)

程序2
clc;
clear;
Vg=50;L=170*10^-6;C=1.5*10^-3;fs=70*10^3;R=3;Vm=9;H=0.3
G0=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)*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*R2);
R1=1/(2*pi*C3*fz1);
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)

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
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5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
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36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制
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41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
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46. 基于单片机的轮轨力检测
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64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
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67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
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71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
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78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
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83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
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113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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