Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真設(shè)計(jì)研究

...wd...Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究一、原始依據(jù)〔包括設(shè)計(jì)或論文的工作根基、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等?！潮銛y式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速開展。因?yàn)殚_關(guān)電源具有體積小、重量輕以及功率密度和輸出效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的線性電源，隨之成為電源芯片中的主流產(chǎn)品。隨著開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)開關(guān)電源的要求也日益提高，高效率、高可靠性以及高功率密度成為趨勢(shì)，這就對(duì)開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。其中對(duì)于非隔離的DC/DC開關(guān)電源，按照電路功能劃分，有降壓式〔BUCK〕、升壓式〔BOOST〕，還有升降壓式〔BUCK-BOOST〕等。其中品種最多，開展最快的當(dāng)屬降壓式〔BUCK〕。我國(guó)目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源產(chǎn)品時(shí)，轉(zhuǎn)換效率必須作為一個(gè)重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用3.6V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，且功能和性能變得更多和更高，對(duì)適用于這類產(chǎn)品的BUCK變換器的性能提出了更高的要求。因此研究BUCK變換器的控制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。三、設(shè)計(jì)〔研究〕內(nèi)容和要求〔包括設(shè)計(jì)或研究?jī)?nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求?！硨?duì)直流Buck變換器進(jìn)展數(shù)學(xué)建模，利用Simulink研究雙閉環(huán)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。具體內(nèi)容要求如下：1．熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設(shè)計(jì)2．掌握MATLAB/Simulink軟件的使用3．掌握對(duì)Buck變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)建模4．驗(yàn)證雙閉環(huán)控制的工作原理，采用Simulink對(duì)電路做仿真分析年月日摘要BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸出電壓UD。通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L以及電容C的數(shù)值。簡(jiǎn)單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會(huì)受到負(fù)載和外部的干擾，參加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過采樣環(huán)節(jié)得到所需電壓/電流信號(hào)，再與基準(zhǔn)值進(jìn)展對(duì)比，然后通過閉環(huán)控制器得到反響信號(hào)，與三角波進(jìn)展對(duì)比，得到調(diào)制后的開關(guān)波形，將其作為開關(guān)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)。Buck電路的閉環(huán)控制有電壓環(huán)控制、電流環(huán)控制以及二者結(jié)合的雙閉環(huán)控制，此處采用雙閉環(huán)控制：電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)。根據(jù)相關(guān)的電路設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)電路進(jìn)展校正，提高電路系統(tǒng)輸出性能。本文首先概述了開關(guān)電源技術(shù)及DC/DC變換器控制方法的開展趨勢(shì)，接著介紹了BUCK變換器的電路構(gòu)造、工作原理及控制原理。最后進(jìn)展了Buck變換器雙閉環(huán)控制的仿真研究，其中首先介紹了電流內(nèi)環(huán)構(gòu)造和電壓外環(huán)構(gòu)造，然后利用Matlab進(jìn)展了仿真驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：Buck變換器；建模與仿真；雙閉環(huán)控制；MATLAB目錄第一章緒論11.1課題研究背景11.2課題開展現(xiàn)狀11.3本文研究?jī)?nèi)容及構(gòu)造3第二章Buck變換器基本原理42.1Buck變換器工作原理42.2Buck變換器工作模態(tài)分析42.3Buck變換器外特性7第三章Buck變換器主電路設(shè)計(jì)93.1占空比D93.2濾波電感Lf93.3濾波電容Cf113.4開關(guān)管Q113.5續(xù)流二極管D12第四章Buck變換器雙閉環(huán)控制134.1電路雙閉環(huán)控制構(gòu)造134.2電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)134.3電壓外環(huán)設(shè)計(jì) 15第五章Buck變換器閉環(huán)系統(tǒng)的仿真215.1開環(huán)Buck電路的建模及仿真215.2閉環(huán)Buck電路的建模及仿真225.3PI控制方法的仿真235.4PID控制方法的仿真25第六章總結(jié)與展望25第一章緒論1.1課題研究背景隨著電子技術(shù)的快速開展，電子設(shè)備的種類越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓技術(shù)對(duì)比成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在50Hz的工頻上，所以其重量較大。又因?yàn)檎{(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間需承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右[1]。受這些缺點(diǎn)的限制,線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備開展的要求。20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，開發(fā)了開關(guān)電源。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的開展，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應(yīng)用[2]，各種電池供電的電子產(chǎn)品如照相機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、手機(jī)、手提電腦都需要DC/DC變換器等開關(guān)電源芯片[3]。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速開展時(shí)期。對(duì)于非隔離的DC/DC開關(guān)電源，按照電路功能劃分，有降壓式〔BUCK〕、升壓式〔BOOST〕，還有升降壓式〔BUCK-BOOST〕等。其中品種最多，開展最快的當(dāng)屬降壓式〔BUCK〕[4]。開關(guān)電源技術(shù)于20世紀(jì)80年代引入我國(guó)，隨著計(jì)算機(jī)、通訊、汽車等行業(yè)的迅速開展,我國(guó)開關(guān)電源市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，開關(guān)電源控制器芯片的研究已成為國(guó)內(nèi)功率電子學(xué)領(lǐng)域中頗受關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源產(chǎn)品時(shí)，轉(zhuǎn)換效率必須作為一個(gè)重要的指標(biāo)加以考慮。尤其是隨著采用3.6V鋰離子電池作為電源的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，且功能和性能變得更多和更高，對(duì)適用于這類產(chǎn)品的BUCK變換器的性能提出了更高的要求。因此研究BUCK變換器的性能具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[5][6]。1.2課題開展現(xiàn)狀DC/DC變換器是一種強(qiáng)非線性系統(tǒng)，由于電氣參數(shù)的不確定性以及負(fù)載的多變性，使得DC/DC變換器的控制變得較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論，很難實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)性能。于是，進(jìn)一步的研究在于對(duì)系統(tǒng)建設(shè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和采用先進(jìn)的控制算法。隨著現(xiàn)代控制理論的開展，出現(xiàn)了許多DC/DC變換器新的控制方法以提高系統(tǒng)性能。例如：(1)雙線性理論；(2)魯棒控制；(3)滑模變構(gòu)造控制；(4)自適應(yīng)控制；(5)智能控制。這些新控制方法的提出，使DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零，動(dòng)態(tài)性能獲得很大改善，而且對(duì)參數(shù)的不確定性和負(fù)載的多變性也有很好的魯棒性。1、雙線性理論此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，能夠取得較好的控制效果。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用此模型對(duì)Boost電路進(jìn)展閉環(huán)控制，不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量，而且實(shí)現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應(yīng)。此方法一般適用于兩個(gè)狀態(tài)變量以上的DC/DC變換器拓?fù)?。但這種控制方案的缺點(diǎn)是忽略了輸入電壓擾動(dòng)，假設(shè)輸入電壓擾動(dòng)不為零，將會(huì)影響系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[7]。2、魯棒控制魯棒控制是處理外加擾動(dòng)和不確定性模型的有力工具，基于DC/DC變換器的線性化小信號(hào)建模。文獻(xiàn)[8]中提出了兩個(gè)自由度控制的設(shè)計(jì)思想，來實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器的魯棒控制。它能夠?qū)ω?fù)載和輸入電壓的變化保證充足的魯棒性。雖然魯棒控制解決了輸入電壓變化的問題，但其線性化小信號(hào)建模準(zhǔn)確度不高，而且控制器構(gòu)造不可變，下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制，這兩種控制能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制效果[8]。3、滑模變構(gòu)造控制滑模變構(gòu)造理論由前蘇聯(lián)學(xué)者歐曼爾揚(yáng)諾夫(S.V.Emelyanov)、尤特金(V.I.Utkin)于20世紀(jì)50年代提出并開展至今?；Ｗ儤?gòu)造控制與常規(guī)控制的基本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，它使得系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)下不僅保持對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動(dòng)態(tài)性能。因此，它特別適用于DC/DC變換器這樣的非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。4、自適應(yīng)控制20世紀(jì)50年代初提出的自適應(yīng)控制方法是根據(jù)響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調(diào)整響應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化，最終使響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)同步。文獻(xiàn)[9]、[10]分別提出了PI自適應(yīng)串級(jí)控制和自適應(yīng)PID串級(jí)控制，并很好地應(yīng)用于DC/DC升壓變換器中。此外，逆向自適應(yīng)控制，雙環(huán)自適應(yīng)控制和模型參考自適應(yīng)控制等均已成功用于DC/DC變換器。這些控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制器構(gòu)造靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確控制，并對(duì)參數(shù)變化具有很好的魯棒性。但由于其設(shè)計(jì)需要在線估計(jì)或辨識(shí)參數(shù)，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)困難，而且存在實(shí)時(shí)性問題。自適應(yīng)控制與其它控制方法以及智能控制相結(jié)合可以防止這些問題并得到更好的控制效果[9][10]。5、智能控制智能控制是現(xiàn)代控制理論的開展，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略。這些方法不需要建設(shè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有很好的魯棒性，因此用于DC/DC變換器的控制中，可以簡(jiǎn)化非常復(fù)雜的建模問題而更適于實(shí)際應(yīng)用[11]。1.3論文構(gòu)造和主要內(nèi)容第一章為緒論局部。首先闡述了課題研究的背景和意義，然后總結(jié)了當(dāng)前技術(shù)開展現(xiàn)狀，最后簡(jiǎn)要交代了本論文的內(nèi)容和構(gòu)造安排。第二章介紹了Buck變換器技術(shù),其中詳細(xì)分析了Buck變換器的基本工作原理，接著分析了Buck變換器的工作模態(tài)和外特性。第三章介紹了Buck變換器的主電路設(shè)計(jì)。第四章分析了Buck變換器雙閉環(huán)控制構(gòu)造，從電流內(nèi)環(huán)到電壓外環(huán)，依次分析設(shè)計(jì)。第五章利用Simulink對(duì)Buck變換器進(jìn)展仿真。第六章總結(jié)與展望。本章對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)展總結(jié)，提出缺乏和仍需完成的工作。第二章Buck變換器基本原理2.1Buck變換器工作原理Buck電路是由一個(gè)功率晶體管開關(guān)Q與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖2.1。驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ub周期地控制功率晶體管Q的導(dǎo)通與截止，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，假設(shè)忽略其飽和壓降，輸出電壓Uo等于輸入電壓；當(dāng)晶體管截止時(shí)，假設(shè)忽略晶體管的漏電流，輸出電壓為0。電路的主要工作波形如圖2.2[12]。圖2.1Buck變換器電路圖2.2Buck變換器的主要工作波形2.2Buck變換器工作模態(tài)分析在分析Buck變換器之前，做出以下假設(shè)：①開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；②電感、電容均為理想元件；③電感電流連續(xù)；④當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。在一個(gè)開關(guān)周期中，變換器有2種開關(guān)模態(tài)，其等效電路如圖2.3和圖2.4所示。：圖2.3[t0~t1]的等效電路圖2.4[t1~t2]的等效電路各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下開關(guān)模態(tài)0[t0~t1]圖2.5對(duì)應(yīng)圖2.3[t0~t1]時(shí)刻。在t0時(shí)刻，開關(guān)管Q恰好開通，二極管D截止。此時(shí)：〔2-1〕電感中的電流線性上升，式2-1可寫成：〔2-2〕圖2.5[t0~t1]的主要工作波形開關(guān)模態(tài)1[t1~t2]圖2.6對(duì)應(yīng)圖2.4[t1~t2]時(shí)刻。在t1時(shí)刻，開關(guān)管Q恰好關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通。此時(shí)：〔2-3〕電感中的電流線性下降，式2-3可寫成：〔2-4〕式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，，聯(lián)解式2-2與式2-4可得：〔2-5〕輸出電流平均值：〔2-6〕圖2.6[t1~t2]的主要工作波形2.3Buck變換器外特性在恒定占空比下，變換器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系Uo=f(io)稱為變換器的外特性。式2-5表示了電感電流連續(xù)時(shí)變換器的外特性，輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。圖2.7為電感電流斷續(xù)時(shí)電流波形圖。由式2-2與式2-4可知，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓一定時(shí)，為常數(shù)。由式2-6可見，當(dāng)負(fù)載電流減少到時(shí)，，此時(shí)最小負(fù)載電流，即為電感臨界連續(xù)電流：〔2-7〕由式2-2及式2-5得，帶入式2-7得：〔2-8〕由上式可見，臨界連續(xù)電流與占空度的關(guān)系為二次函數(shù)，當(dāng)D=1/2時(shí)，臨界連續(xù)電流到達(dá)最大值：〔2-9〕當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)，即在Toff完畢前續(xù)流二極管的電流已下降到0，此時(shí)輸出的平均電流為：〔2-10〕式中，為開關(guān)管關(guān)斷后電感電流持續(xù)的時(shí)間，并且：〔2-11〕穩(wěn)態(tài)時(shí)，，由式2-11得：〔2-12〕將式2-11及式2-12帶入式2-10得：〔2-13〕即：〔2-14〕圖2.7電感電流斷續(xù)時(shí)電流波形可見在電流斷續(xù)區(qū)，輸出電壓與輸入電壓之比不僅與占空比有關(guān)，而且與負(fù)載電流有關(guān)[13][14]。第三章Buck變換器主電路設(shè)計(jì)3.1占空比D根據(jù)Buck變換器的性能指標(biāo)要求及Buck變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍：〔3-1〕3.2濾波電感Lf〔1〕濾波電感量Lf計(jì)算變換器輕載時(shí)，如果工作在電流連續(xù)區(qū)，那么為了保持一定的輸出電壓，占空比大為減小，也就是說開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很短。如果這個(gè)時(shí)間小于開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間與最小控制時(shí)間之和，變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大，因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以，以最小輸出電流Iomin作為電感臨界連續(xù)電流來設(shè)計(jì)電感，即。在Q關(guān)斷時(shí)，由式2-4得：〔3-2〕由Lf≥Lf(min)，取Lf=360uH。〔2〕濾波電感Lf設(shè)計(jì)①的電流時(shí)單向流動(dòng)的，流過繞組的電流具有較大的直流分量，并疊加一個(gè)較小的交流分量，屬于第三類工作狀態(tài)。因此磁芯最大工作磁密可以選的很高，接近于飽和磁密；②的電流最大值為；〔3-3〕③初選磁芯大小。初步選擇TOKIN公司的FEER42磁芯，其有效導(dǎo)磁面積；④初選一個(gè)氣隙大小，以計(jì)算繞組匝數(shù)。取氣隙，由式子得：〔3-4〕取N=4匝；⑤核算磁芯最高工作磁密Bm。由下式計(jì)算得：〔3-5〕FEER42磁芯的材質(zhì)為2500B,其飽和磁密為，顯然，符合要求。⑥計(jì)算繞組的線徑。輸出濾波電感電流有效值的最大值，取電流密度為，用線徑為的漆包線，則需要其根數(shù)為：〔3-6〕取根。⑦核算窗口面積。當(dāng)用26根由線徑為的漆包線來繞制時(shí)，其總的面積為：〔3-7〕取填充系數(shù)，則需要磁芯的窗口面積為：〔3-8〕手冊(cè)說明，F(xiàn)EER42的窗口面積為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需窗口面積，因此可以繞下。⑧從前面的分析中可知，用FEER42磁芯來繞制輸出濾波電感是合理的。綜上，由于FEER42較常用，一般都選用該種磁芯；同時(shí)工作磁密遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飽和磁密，其鐵損非常小。3.3濾波電容Cf〔1〕濾波電容量Cf計(jì)算在開關(guān)變換器中，濾波電容通常是根據(jù)輸出電壓的紋波要求來選取。該Buck變換器的輸出電壓紋波要求Vout(p-p)<25mv。假設(shè)設(shè)，即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量，電容在時(shí)間間隔內(nèi)充放電，電容充電的平均電流：〔3-9〕電容峰峰值紋波電壓為：〔3-10〕因此，得：〔3-11〕取，D=0.4時(shí)，Cf的值最大。即：〔3-12〕由Cf≥Cf(max)得，取Cf=10uF。〔2〕濾波電容的耐壓值輸出濾波電容的耐壓值決定于輸出電壓的最大值，一般比輸出電壓的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大輸出電壓為24V，則電容的耐壓值為24V?！?〕濾波電容的選取由輸出濾波電容的電容量Cf=4.7uF，耐壓值為24V，留有一定的裕量，則選取10uF/50V電容。3.4開關(guān)管Q該電路的輸入電壓是30V~60V，則開關(guān)管耐壓值為60V，電流的最大值為〔3-13〕其開關(guān)頻率為，因此選用的MOSFET管MTD6N15T4G，其額定值為。3.5續(xù)流二極管D續(xù)流二極管所承受的最大反向電壓為Vin=60V；在時(shí)，二極管電流的有效值為〔3-14〕續(xù)流二極管的工作頻率為f=200KHz?？紤]一定的裕量，選用肖特基二極管SR150-1，其電壓和電流額定值為：120V/2A。第四章Buck變換器雙閉環(huán)控制4.1電路雙閉環(huán)控制構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制構(gòu)造圖如圖4.1。iL*iL*-+GvUo*+iL1/RUoKPWMGi(1/SC)//Rc-+1/SL-+-圖中Gv、Gi網(wǎng)絡(luò)傳函需根據(jù)各環(huán)傳函的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的零極點(diǎn)以及增益值，使系統(tǒng)傳函到達(dá)我們的目標(biāo)函數(shù)。下面對(duì)電路進(jìn)展分析，從電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)到電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)。4.2電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)先不考慮電壓環(huán)，則電流內(nèi)環(huán)框圖如以以下列圖4.2。iLiL*iL+KPWMGi1/SL-UD圖4.2電流內(nèi)環(huán)控制框圖未參加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gi校正時(shí)，電路的開環(huán)傳函為〔4-1〕其中，畫出其幅頻特性與相頻特性曲線圖，如圖4.3.圖4.3未加補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)傳函伯德圖由分析可知，積分環(huán)節(jié)的幅頻特性為一斜率為-20dB的曲線圖，含一零極點(diǎn)。相頻特性為-90度平行線。為了使電流環(huán)能迅速跟蹤基值變化，參加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)將之前的積分環(huán)節(jié)變成如下特性曲線。圖4.4方案參加補(bǔ)償后的伯德圖圖中，含A、B兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)，設(shè)定A處角頻率〔4-2〕〔4-3〕B處角頻率〔4-4〕根據(jù)這些條件，我們可以推出所加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳函〔4-5〕參加了補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的開環(huán)傳函為〔4-6〕由可解得，代入各數(shù)值，畫出此時(shí)電路的幅頻特性以及相頻特性圖，如圖4.5。圖4.5校正后系統(tǒng)傳函伯德圖4.3電壓外環(huán)設(shè)計(jì)電壓環(huán)控制框圖如下。iLiL*-+GvUo*iLUoG’i(S)(1/SC)//Rc圖4.6電壓環(huán)控制框圖設(shè)計(jì)電壓環(huán)時(shí)，我們也希望將其開環(huán)特性設(shè)計(jì)成如下曲線。圖4.7方案所要設(shè)計(jì)的電壓環(huán)〔曲線3〕上圖中，曲線3為我們?cè)O(shè)計(jì)所要到達(dá)的電壓環(huán)特性曲線，盡量做到D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率小于A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率。為在設(shè)計(jì)電壓環(huán)之前，先看一個(gè)問題，由之前的電流開環(huán)可求出電流閉環(huán)傳函，〔4-7〕其伯德圖如下，圖4.8電流閉環(huán)傳函伯德圖實(shí)際上在B點(diǎn)之前，對(duì)于電壓環(huán)而言，電流環(huán)等效于增益為1、相角為0的環(huán)節(jié)，這樣，在設(shè)計(jì)電壓環(huán)時(shí)，便可對(duì)電流閉環(huán)作一簡(jiǎn)化，將其等效為一比例環(huán)節(jié)，增益為1。電壓環(huán)未參加補(bǔ)償時(shí)，電路開路傳函為〔4-8〕該傳函頻率特性曲線如以以下列圖，圖4.9未加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)電壓開環(huán)傳函伯德圖圖4.9中，幅頻特性中包含一個(gè)極點(diǎn)，〔4-9〕包含一個(gè)零點(diǎn)，〔4-10〕根據(jù)圖4.7中的曲線3以及4.9中的幅頻特性曲線，可推測(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳函形式：〔4-11〕零點(diǎn)由大致確定，受到限制。具體參數(shù)需要通過Simulink仿真，觀察輸出電壓和電感電流波形找到滿足電路輸出要求的參數(shù)。在這里，取，，。作出該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的幅頻與相頻特性曲線圖。圖4.10電壓環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳函伯德圖參加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，整個(gè)電路系統(tǒng)的開環(huán)傳函，其特性曲線如下。圖4.11系統(tǒng)總的開環(huán)傳函第五章Buck變換器閉環(huán)系統(tǒng)的仿真5.1開環(huán)Buck電路的建模及仿真〔1〕在Simulink中搭建Buck電路的仿真模型，使用開關(guān)器件是MOSFET，如圖5.1所示。圖5.1開環(huán)Buck電路在MATLAB中模型圖5.2輸出電壓波形圖5.3輸出電流波形〔2〕將圖5.2、圖5.3仿真波形放大，觀察得到電路輸出電壓為11.2V，電流輸出為0.94A，顯然不滿足設(shè)計(jì)要求，在對(duì)濾波電感、電容進(jìn)展調(diào)節(jié)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：電感越小，超調(diào)越大，越穩(wěn)定；電容越小，超調(diào)越小，紋波越大。因此，需要在穩(wěn)定度，超調(diào)量，紋波電壓之間進(jìn)展折衷，對(duì)電感、電容進(jìn)展調(diào)節(jié)。因此需要對(duì)電路進(jìn)展閉環(huán)調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用PI和PID兩種控制校正方式[15]。5.2閉環(huán)Buck電路的建模及仿真利用小信號(hào)模型，對(duì)Buck電路進(jìn)展建模，得到其開環(huán)傳遞函數(shù)為：〔5-1〕其中，Rc為濾波電容的ESR，Buck電路的紋波電壓，主要是由電容的寄生電阻ESR和電容容量決定，所以要想對(duì)電路紋波進(jìn)展對(duì)比準(zhǔn)確地控制必須考慮寄生電阻的影響，而對(duì)于一般的電容，其C與寄生電阻Rc的乘積趨于常數(shù)，約為。本例中取為。所以。代入數(shù)據(jù)得：〔5-2〕畫出其開環(huán)狀態(tài)下的伯德圖如下：圖5.4開環(huán)狀態(tài)下伯德圖輸入程序如下：>>num=[1.92e-3,24];>>den=[22.5e-8,2.5e-5,1];>>G=tf(num,den);>>margin(G)>>grid由伯德圖可知，幅值穿越頻率為，相角穩(wěn)定裕。根據(jù)穩(wěn)定環(huán)路的準(zhǔn)則：一、幅頻曲線的穿越頻率范圍為開關(guān)頻率的1/5～1/4,因?yàn)楸疚乃x開關(guān)頻率為，而此時(shí)穿越頻率，顯然穿越頻率過大。二、系統(tǒng)的相位裕量至少要為45°，而此時(shí)相角穩(wěn)定裕度為45.4°，基本滿足要求。所以下面的工作主要考慮若何減小穿越頻率，從而到達(dá)系統(tǒng)的控制要求。本文將從PI和PID兩種控制方法研究解決這個(gè)問題。5.3PI控制方法的仿真設(shè)計(jì)根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖并結(jié)合PI控制器的特點(diǎn)可知在系統(tǒng)中加上PI控制器可以減小系統(tǒng)的幅頻特性，相當(dāng)于整條幅頻特性曲線下移，從而到達(dá)減小穿越頻率的目的。它用積分代替了滯后網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)分母的慣性環(huán)節(jié)，所以可以提高系統(tǒng)的誤差型別。又因?yàn)樗杏职肫矫娴拈_環(huán)零點(diǎn)，可以緩和PI零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)足夠大,積分對(duì)系統(tǒng)的不利影響可大為減少，所以它可以在不明顯影響穩(wěn)定性的根基上，減小甚至消除系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。除了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能外，PI控制器還可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，所以PI控制器的效果優(yōu)于滯后校正網(wǎng)絡(luò)。與之后校正網(wǎng)絡(luò)一樣的是由于其復(fù)制的高頻衰減作用，它也使系統(tǒng)的響應(yīng)速度下降，這也是PI控制器的主要缺點(diǎn)[16][17]。下面給出具體的方法。PI控制器的傳遞函數(shù)為：〔5-3〕由系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)則知系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的穿越頻率取值范圍為4000～5000Hz，取開關(guān)頻率為4800Hz，根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，其對(duì)應(yīng)的賦值為16dB。所以，，，取，所以對(duì)應(yīng)的PI參數(shù)P=0.16，I=10。在實(shí)際的調(diào)整過程中有對(duì)參數(shù)進(jìn)展了微調(diào)，最終P=0.12，I=10。加上PI控制器后的電路模型如下：圖5.5加PI校正后仿真電路參加PI控制器后的輸出電壓、電流波形如下：圖5.6輸出電壓波形圖5.7輸出電流波形由圖可以看出紋波電壓為40mV,換載時(shí)有一定的尖峰電壓，但仍基本上滿足要求；換載前電流為0.994A，換載后電流為0.5A，換載前的電流有一點(diǎn)偏小，這是需要完善的地方。其他系統(tǒng)指標(biāo)要求也基本上到達(dá)要求，綜合幾方面的考慮，參加PI控制器這種方法切實(shí)可行，取得了預(yù)期的效果。下面又對(duì)PID控制方法進(jìn)展了探索，希望能得到更好的控制精度。5.4PID控制方法的仿真設(shè)計(jì)上一局部PI控制方法雖然基本上到達(dá)了控制要求，但仍有缺乏之處，下面嘗試用PID控制策略使其到達(dá)更理想的控制要求。PID控制就是指校正環(huán)節(jié)采用這種形式的比例積分微分環(huán)節(jié)。本文采用湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，湊試法是通過模擬〔或閉環(huán)〕運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)〔例如，階躍響應(yīng)〕曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以到達(dá)滿意的響應(yīng)，從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，這有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。減小有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力將減弱。[18]在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)分析控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)展先比例，后積分，再微分的整定步驟。其具體步驟如下：首先整定比例局部。將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反響快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需要用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。當(dāng)僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，控制精度還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需參加積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，首先置積分常數(shù)為一個(gè)較小值，經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會(huì)略為增大〔如增大20%〕，然后增大積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。應(yīng)該指出，在整定中參數(shù)的選定不是惟一的。事實(shí)上，比例、積分和微分三局部作用是相互影響的。[19]從應(yīng)用角度來看，只要被控制過程的主要性能指標(biāo)到達(dá)設(shè)計(jì)要求，那么比例、積分和微分參數(shù)也就確定了。最終得到的一組較理想的參數(shù)為P=2.2，I=88，D=0.001。參加PID控制器的電路拓補(bǔ)構(gòu)造如下：圖5.8加PID校正后仿真電路輸出電壓、電路波形如下：圖5.9輸出電壓波形圖5.10輸出電流波形由輸出電壓、電流波形知，各項(xiàng)指標(biāo)都到達(dá)了較高的控制精度。PID控制方法也有很多缺乏之處，而且PID參數(shù)的選取過程中花費(fèi)了大量的時(shí)間，還有其它更好的選取方法值得我去借鑒，這將在以后的學(xué)習(xí)過程中去實(shí)施。第六章總結(jié)與展望近年來，DC/DC開關(guān)變換器以其轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。開關(guān)變換器的總體開展趨勢(shì)為：高效率、低壓大電流、智能化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化工作等。本文研究了BUCK型DC/DC變換器的主電路構(gòu)造及工作原理，分析了PID雙閉環(huán)控制，并對(duì)其雙閉環(huán)控制進(jìn)展了仿真驗(yàn)證。通過本次課題的研究與實(shí)踐，使我得到了進(jìn)一步的鍛煉，加深了電力電子方面的知識(shí)。由于本人水平及經(jīng)歷的限制，本次設(shè)計(jì)還有很多不到位的地方，值得我在今后的學(xué)習(xí)研究中去完善，主要有以下幾個(gè)方面：研究DC/DC變換器的其它拓?fù)錁?gòu)造，并將各種拓?fù)錁?gòu)造的性能特點(diǎn)做對(duì)比。研究Buck變換器其它的現(xiàn)代控制方法，了解它們的構(gòu)造和原理。進(jìn)一步提高M(jìn)atlab軟件的應(yīng)用水平，為仿真與設(shè)計(jì)更多電路打下良好的根基。控制電路設(shè)計(jì)摘要本文的寫作目的，是為給設(shè)計(jì)師們提供一個(gè)實(shí)際性的說明，那就是線性補(bǔ)償技術(shù)在電源轉(zhuǎn)換與電流反響操作中是若何應(yīng)用的。一個(gè)組織管理嚴(yán)密的系統(tǒng)電路需要一開場(chǎng)就有一個(gè)根基的電流反響操作理論的支持，并且通過一步步的設(shè)計(jì)步驟，從初步階段應(yīng)用到一個(gè)簡(jiǎn)單升壓調(diào)節(jié)器，然后再擴(kuò)展到其他的拓?fù)鋵W(xué)與算數(shù)控制學(xué)中去。matchad模擬器也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)樣本中幅相裕度整定在分布設(shè)計(jì)中是存在的，并且還影響著實(shí)驗(yàn)的分析報(bào)告。一、簡(jiǎn)介驗(yàn)證所提議的電源供給解決方案的穩(wěn)定性，一直就是電路設(shè)計(jì)過程中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的方面。最讓你感到窘迫的，并不是你最為得意之作的電路板正在實(shí)驗(yàn)的重要階段中，被突然闖入的無序振蕩所打亂，而是你實(shí)驗(yàn)恰恰驗(yàn)證了許多電路設(shè)計(jì)者感到最為頭疼的數(shù)據(jù)分析。電路設(shè)計(jì)師常常強(qiáng)調(diào)，在實(shí)驗(yàn)室里要注重切換實(shí)驗(yàn)的實(shí)用價(jià)值，或者是以復(fù)雜的數(shù)學(xué)模式為電腦集成系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)處理。然而這兩者的方向都是以電路設(shè)計(jì)的前提為根基。于是，對(duì)反響原理最基本的理解將幫助我們?nèi)ザx承受性補(bǔ)償網(wǎng)系統(tǒng)的最小值計(jì)算范圍。二、穩(wěn)定性的界定圖1穩(wěn)定的定義圖1直接展示了至少一個(gè)關(guān)于穩(wěn)定性的界定。用最簡(jiǎn)潔的術(shù)語來說，如果一個(gè)電路系統(tǒng)是穩(wěn)定的，就算被從某些來源說產(chǎn)生的微擾所壓制時(shí)，返回的微擾的也將會(huì)一并抵消。需要注意的是，在任何實(shí)用電路中，不穩(wěn)定性不會(huì)導(dǎo)致一個(gè)完全無束縛的反響，這就如同電路既會(huì)到達(dá)飽和狀態(tài)——也會(huì)處于缺損狀態(tài)一樣。正在調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化過程中的振蕩極有可能在零和百分之一百間的負(fù)荷周期中波動(dòng)，并且這種變化不可能阻止失敗，它將最終制約不穩(wěn)定電路的回流電。圖2展示的是另外一個(gè)設(shè)想的穩(wěn)定性。盡管該圖形象地展示了電路穩(wěn)定性的觀點(diǎn)，但與此同時(shí)，也指出了我們必須將大信號(hào)的穩(wěn)定性與小信號(hào)的穩(wěn)定性嚴(yán)格區(qū)分開來。然而小信號(hào)的穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要和非常需要的判斷標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)電路也可以滿足這個(gè)要求，并且會(huì)與一個(gè)大信號(hào)的微擾一起變得不穩(wěn)定。重要的是，電路設(shè)計(jì)師們需要記得，所有我們可能執(zhí)行的幅相裕度整定計(jì)算僅僅只是確保了小信號(hào)的穩(wěn)定性。這些計(jì)算結(jié)果主要依靠——并且只適用于——線性電路，和一個(gè)轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器——被定義為——非線性的電路。我們通過用圍繞小信號(hào)直流工作點(diǎn)周圍小信號(hào)的微擾，來演算我們的分析結(jié)果，去解決這個(gè)迷團(tuán)。這之中的具體差異將會(huì)在接下來的設(shè)計(jì)過程的有關(guān)探討來說明。圖2強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)三、反響電流控制原理展示的是一個(gè)最基本的調(diào)節(jié)器，在這里，不受控制的電壓來源〔或者電流，或者功率〕將會(huì)被應(yīng)用到電路的輸入，且在輸出過程中被這個(gè)不受控制的電壓〔電流或者功率〕的預(yù)期值完全的掌控。電流控制的根基是一些基準(zhǔn)電壓的構(gòu)造，任何在輸出電流和基準(zhǔn)電壓之間的偏差都是會(huì)導(dǎo)致電路的錯(cuò)誤。在一個(gè)反響操作電路中，負(fù)反響回流電是用來減少在可承受的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)這種錯(cuò)誤——就如我們希望能從一開場(chǎng)付出努力，一直堅(jiān)持到最后能成功一樣。然而，按照典型的案例來說，我們也希望讓錯(cuò)誤不會(huì)那么快的發(fā)生，但是回流電控制電路本身就存在著頻率響應(yīng)與電路穩(wěn)定性的互換?；亓麟娐返念l率響應(yīng)越多，不穩(wěn)定的不安全性就越大。在這一點(diǎn)上我們應(yīng)該注意，另外一個(gè)控制方法——前反響。通過前反響的控制，一個(gè)控制信號(hào)將被直接地開展到去回應(yīng)一個(gè)輸出波動(dòng)或者微擾中。前反響沒有回流電那么精準(zhǔn)，因?yàn)闄z測(cè)輸出電流不是那么復(fù)雜難懂，然而，無法否認(rèn)的是，等待一個(gè)輸出電流的錯(cuò)誤信號(hào)會(huì)被發(fā)現(xiàn)，而且前反響控制無法產(chǎn)生不穩(wěn)定性。需要清楚說明的是，典型的前反響控制將不像只有一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器的控制線路那么有效，但是前反響的控制經(jīng)常被用于和反響一起去加快調(diào)節(jié)器對(duì)動(dòng)態(tài)輸入變動(dòng)的響應(yīng)頻率。圖3中的電流圖闡述了反響控制的根基，目標(biāo)就是為了輸出功率能跟著可以預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)電壓，為了將外部微擾的影響，如同輸出功率的變動(dòng)一樣，能會(huì)被減少到輸出功率所能承受的等級(jí)上。圖3反響控制流圖如果沒有反響電