論文-Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究

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畢業(yè)設計（論文）說明書 題目：Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動化 學 號 6011XXXXXXX 學生姓名 XXX 指導教師 XXX 2015年 6月 5日 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目：Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動化 學 號 6011XXXXXX 學生姓名 XXX 指導教師 XXX 職 稱 副教授 2014年 12月 15日 一、原始依據(jù)（包括設計或論文的工作基礎、研究條件、應用環(huán)境、工作目的等。） 便攜式電子產品的廣泛應用，推動了開關電源技術的迅速發(fā)展。因為開關電源具有體積小、重量輕以及功率密度和輸出效率高等諸多優(yōu)點，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品。隨著開關電源技術應用領域的擴大，對開關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，這就對開關電源芯片設計提出了新的挑戰(zhàn)。其中對于非隔離的DC/DC開關電源，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，發(fā)展最快的當屬降壓式（BUCK）。 我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關的行業(yè)，因此我們在設計DC/DC開關電源產品時，轉換效率必須作為一個重要的指標加以考慮。尤其是隨著采用3.6 V鋰離子電池作為電源的消費類電子產品市場不斷擴大，且功能和性能變得更多和更高，對適用于這類產品的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)實意義。 二、參考文獻 [1] 丘濤文. 開關電源的發(fā)展及技術趨勢[J]. 電力標準化與技術經(jīng)濟，2008，17(6)：58-60. [2] 張乃國. 一種脈沖頻率調制型穩(wěn)壓電路的研究[J]. 電源世界，2007，10（4）：21-23. [3] 劉樹林，輸出本質安全型Buck-Boost DC-DC變換器的分析與設計，中國電機工程學報， 2008，28(3): 60-65. [4] 馬麗梅，Buck-boost DC-DC變換器的控制，河北工業(yè)大學學報，2008，37(4) :101-105. [5] 劉樹林，Buck-Boost變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析，電子學報，2007， 20(5) :838-843. [6] 彭力，新型大功率升降壓型DC-DC變換器控制研究,船電技術，1999，3(1) :26-28. [7] 鐘久明，Buck-Boost變換器的本質安全特性分析及優(yōu)化設計 西安科技大學 碩士學位論 文2006. [8] 高飛，蔣贏，趙小妹等，一種新型Buck-Boost變換器，電力電子技術 2010 22(4):50-52. [9] Xu Jianping，Yu Juebang.Equivalent circuit model of switches for SPICE simulation.IEE Electronics，Letters，1988，Vol.24，No.7，437-438. [10] Xu Jianping，Yu Juebang，Zeng H.SPICE simulation of switched DC-DC convert.IEEE International Symposium on Circuits and Systems，1991，Vol.24，No.5，3032-3026. [11] 王海鵬，王立志，王卓. 基于1394的數(shù)據(jù)傳輸電路[J]. 現(xiàn)代電子技術，2009，32(21)： 52-54. [12] 王久和. 電壓型PWM整流器的非線性控制[M]. 第1版，北京: 機械工業(yè)出版社, 2008. [13] 師婭，唐威. 一種電流型PWM控制芯片的設計[J]. 微電子學與計算機，2007，24(8)： 145-148. 三、設計（研究）內容和要求（包括設計或研究內容、主要指標與技術參數(shù)，并根據(jù)課題性質對學生提出具體要求。） 對直流Buck變換器進行數(shù)學建模，利用Simulink研究雙閉環(huán)PID控制算法，實現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。 具體內容要求如下： 1．熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設計 2．掌握MATLAB/Simulink軟件的使用 3．掌握對Buck變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學建模 4．驗證雙閉環(huán)控制的工作原理，采用Simulink對電路做仿真分析 5．完成畢業(yè)設計論文。 指導教師（簽字） 年 月 日 審題小組組長（簽字） 年 月 日 天津大學仁愛學院本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 課題名稱 Buck變換器雙閉環(huán)控制仿真研究 系 名 信息工程系 專業(yè)名稱 自動化 學生姓名 XXX 指導教師 XXX 一.課題的來源與意義 隨著電子技術的快速發(fā)展，電子設備的種類越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系也日益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調整穩(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)壓技術比較成熟，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。但由于調整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在50 Hz的工頻上，所以其重量較大。又因為調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，導致調整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右[1]。受這些缺點的限制，線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設備發(fā)展的要求。20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，開發(fā)了開關電源。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應用[2]，各種電池供電的電子產品如照相機、攝像機、錄像機、個人數(shù)字助理、手機、手提電腦都需要DC/DC變換器等開關電源芯片[3]。 開關電源技術于20世紀80年代引入我國，隨著計算機、通訊、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，我國開關電源市場不斷增長，開關電源控制器芯片的研究已成為國內功率電子學領域中頗受關注的熱點[4]。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關的行業(yè)，因此我們在設計DC/DC開關電源產品時，轉換效率必須作為一個重要的指標加以考慮。尤其是隨著采用3.6 V鋰離子電池作為電源的消費類電子產品市場不斷擴大，且功能和性能變得更多和更高，對適用于這類產品的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)實意義[5][6]。 2. 國內外發(fā)展狀況 DC/DC變換器是一種強非線性系統(tǒng)，由于電氣參數(shù)的不確定性以及負載的多變性，使得DC/DC變換器的控制變得較為復雜。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論，很難實現(xiàn)較好的動態(tài)性能。于是，進一步的研究在于對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學模型和采用先進的控制算法。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)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) 滑模變結構控制；(4) 自適應控制；(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，動態(tài)性能獲得很大改善，而且對參數(shù)的不確定性和負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[7]應用此模型對Boost電路進行閉環(huán)控制，不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量，而且實現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應。此方法一般適用于兩個狀態(tài)變量以上的DC/DC變換器拓撲。但這種控制方案的缺點是忽略了輸入電壓擾動，若輸入電壓擾動不為零，將會影響系統(tǒng)的性能甚至導致系統(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建模。文獻[8]中提出了兩個自由度控制的設計思想，來實現(xiàn)DC/ DC 變換器的魯棒控制。它能夠對負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，但其線性化小信號建模精確度不高，而且控制器結構不可變，下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應控制，這兩種控制能夠實現(xiàn)更理想的控制效果[8]。 3、滑模變結構控制 滑模變結構理論由前蘇聯(lián)學者歐曼爾揚諾夫( S.V. Emelyanov)、尤特金( V. I.Utkin)于20世紀50年代提出并發(fā)展至今?；Ｗ兘Y構控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，它使得系統(tǒng)在滑動模態(tài)下不僅保持對系統(tǒng)結構不確定性、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、自適應控制 20世紀50年代初提出的自適應控制方法是根據(jù)響應系統(tǒng)與目標系統(tǒng)對應變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調整響應系統(tǒng)的參數(shù)變化，最終使響應系統(tǒng)與目標系統(tǒng)同步。 文獻[9]、[10]分別提出了PI自適應串級控制和自適應PID串級控制，并很好地應用于DC/ DC升壓變換器中。此外，逆向自適應控制，雙環(huán)自適應控制和模型參考自適應控制等均已成功用于DC/ DC變換器。 這些控制方法的優(yōu)點是控制器結構靈活，能夠實現(xiàn)精確控制，并對參數(shù)變化具有很好的魯棒性。但由于其設計需要在線估計或辨識參數(shù)，導致實現(xiàn)困難，而且存在實時性問題。自適應控制與其它控制方法以及智能控制相結合可以避免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)代控制理論的發(fā)展，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進控制策略。這些方法不需要建立精確的數(shù)學模型，對系統(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，可以簡化非常復雜的建模問題而更適于實際應用。 三.研究目標 對直流Buck變換器進行數(shù)學建模，利用Simulink研究雙閉環(huán)PID控制算法，實現(xiàn)變換器電壓的魯棒輸出。 四.研究內容 1．熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設計。 2．掌握對Buck變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學建模。 3．驗證雙閉環(huán)控制的工作原理，采用Simulink對電路做仿真分析。 五.研究方法及手段 1.通過閱讀相關書籍文獻，熟悉Buck變換器雙閉環(huán)控制的工作原理及電路設計，并進行數(shù)學建模。 2.設計Buck電路器雙閉環(huán)控制的閉環(huán)參數(shù)與不同補償方法。 3.對Buck電路閉環(huán)仿真，并根據(jù)要求的功能和性能指標進行誤差分析。 4.查閱Buck變換器雙閉環(huán)控制設計實例，總結經(jīng)驗。 Simulink仿真 Buck變換器 主電路設計 雙閉環(huán)控制 電流內環(huán)設計 電壓外環(huán)設計 課題系統(tǒng)框架圖 六.進度安排 2014.12.7—2015.2.28 了解課題，查閱相關文獻資料，完成開題報告； 2015.3.1—2015.3.15 查閱關于BUCK電路的相關書籍，熟悉其原理及其應用； 2015.3.16—2015.3.31 查找相關外文資料并翻譯外文資料，完成中期報告； 2015.4.1—2015.4.15 熟悉MATLAB仿真軟件，進行仿真分析，調整電路結構，元件和仿真參數(shù)； 2015.4.16—2015.5.1 對仿真電路和數(shù)學模型進行測試，誤差分析，整理資料； 2015.5.2—2015.6.1 按要求認真撰寫畢業(yè)設計報告，準備畢業(yè)設計答辯。 7. 實驗方案的可行性分析 Buck變換器應用廣泛，在實際應用上有著豐富的設計經(jīng)驗；并且此實驗只需要用MATLAB軟件仿真。因此無論從理論的成熟角度來講，還是從實驗條件的具備方面來說，這個課題都具備良好的可操作性，此方案可行。 八.參考文獻 [1] 何宏，魏克新，王紅軍，等. 開關電源電磁兼容性[M]. 第1版，北京: 國防工業(yè)出版社，2008：15-21. [2] 丘濤文. 開關電源的發(fā)展及技術趨勢[J]. 電力標準化與技術經(jīng)濟，2008，17(6)：58-60. [3] T. Regan. Low dropout linear regulators improve automotive and battery-powered systems[M]. Nurnberg: Power conversion and Intelligent Motion, 1990. 65-69. [4] 閆永亮. 淺論開關電源技術的發(fā)展趨勢[J]. 中國科技信息，2009，21（16）：137-138. [5] 張占松，蔡宜三. 開關電源的原理與設計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2006：56-61. [6] 劉樹林，輸出本質安全型Buck-Boost DC-DC變換器的分析與設計，中國電機工程學報， 2008，28（3）: 60-65. [7] Chen F,CaiXS. Design of Feedback Control Laws for Switching Regulators Based on the Bilinear Large Signal Model[J] . IEEE Transactions on Power Electronics. 1990，236-240. [8] 蘇彩虹，陸益民，朱學鋒. DC/DC變換器的變結構控制策略[J] . 武漢科技大學學報，2003， 6：169-172. [9] 吳忠，丑武勝. DC/DC升壓變換器PI自適應串級控制[J]. 儀器儀表學報. 2003, 8: 345- 347. [10] 吳忠，史永麗. DC/DC升壓變換器自適應PID串級控制系統(tǒng)仿真研究[J] . 系統(tǒng)仿真學報. 2004, 5: 1013-1016. 選題是否合適： 是□ 否□ 課題能否實現(xiàn)： 能□ 不能□ 指導教師（簽字） 年 月 日 選題是否合適： 是□ 否□ 課題能否實現(xiàn)： 能□ 不能□ 審題小組組長（簽字） 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)，取決于開關頻率、濾波電感L以及電容C的數(shù)值。 簡單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會受到負載和外部的干擾，加入補償網(wǎng)絡，可實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過采樣環(huán)節(jié)得到所需電壓/電流信號，再與基準值進行比較，然后通過閉環(huán)控制器得到反饋信號，與三角波進行比較，得到調制后的開關波形，將其作為開關信號，從而實現(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)控制以及二者結合的雙閉環(huán)控制，此處采用雙閉環(huán)控制：電流內環(huán)，電壓外環(huán)。根據(jù)相關的電路設計適當?shù)难a償網(wǎng)絡對電路進行校正，提高電路系統(tǒng)輸出性能。 本文首先概述了開關電源技術及DC/DC變換器控制方法的發(fā)展趨勢，接著介紹了BUCK變換器的電路結構、工作原理及控制原理。最后進行了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環(huán)結構和電壓外環(huán)結構，然后利用Matlab進行了仿真驗證。 關鍵詞：Buck變換器；建模與仿真；雙閉環(huán)控制；MATLAB ABSTRACT BUCK circuit is a step-down chopper, whose converter output voltage Uo is always lower than the average output voltage UD. Whether the current in the inductor is continuous depends on the value of the switching frequency, the filter inductance L and capacitance C generally. Simple unstable BUCK circuit voltage subjects to electric burden and outside interference, adding the compensation network, thus, enabling closed-loop control. Obtained by sampling part of the required voltage/current signal , compared with a reference value again, then get the feedback signal by the closed loop controller, with the triangular wave . I compared to obtain a modulated switching waveform with the triangular wave as a switching signal to achieve a closed-loop circuit BUCK control system. The closed-loop control of Buck circuit has the voltage loop control, the current loop control and the double closed-loop control, double closed-loop control is used here: current inner loop control and voltage outer loop control. According to the relevant circuit design appropriate compensation network to correct the circuit, so as to improve the output performance of the circuit system. This paper first summarizes the Switching Mode Power Supply technology and the development trend of DC/DC converter control method, then introduces the BUCK converter circuit structure, working principle and control principle. Finally, the simulation research on the double closed-loop control of buck converter, which first introduced the current inner loop and voltage outer loop structure, and then simulate them by MATLAB. Keyword：Buck converter；modeling and simulation；double closed-loop control； MATLAB 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究背景 1 1.2 課題發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.3 本文研究內容及結構 3 第二章 Buck變換器基本原理 4 2.1 Buck變換器工作原理 4 2.2 Buck變換器工作模態(tài)分析 4 2.3 Buck變換器外特性 7 第三章 Buck變換器主電路設計 9 3.1 占空比D 9 3.2 濾波電感Lf 9 3.3 濾波電容Cf 11 3.4 開關管Q 11 3.5 續(xù)流二極管D 12 第四章 Buck變換器雙閉環(huán)控制 13 4.1電路雙閉環(huán)控制結構 13 4.2 電流內環(huán)設計 13 4.3 電壓外環(huán)設計 15 1 第五章 Buck變換器閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 21 5.1 開環(huán)Buck電路的建模及仿真 21 5.2 閉環(huán)Buck電路的建模及仿真 22 5.3 PI控制方法的仿真 23 5.4 PID控制方法的仿真 25 第六章 總結與展望 25 參考文獻 29 外文資料 中文譯文 致謝 2 天津大學仁愛學院2015屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第一章 緒論 1.1 課題研究背景 隨著電子技術的快速發(fā)展，電子設備的種類越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系也日益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調整穩(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)壓技術比較成熟，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。但由于調整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在50 Hz的工頻上，所以其重量較大。又因為調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，導致調整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45 %左右[1]。受這些缺點的限制,線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設備發(fā)展的要求。20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，開發(fā)了開關電源。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應用[2]，各種電池供電的電子產品如照相機、攝像機、錄像機、個人數(shù)字助理、手機、手提電腦都需要DC/DC變換器等開關電源芯片[3]。 20世紀80年代，計算機全面實現(xiàn)開關電源化，率先完成計算機的電源換代。20世紀90年代，開關電源在電子、電氣設備、家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發(fā)展時期。 對于非隔離的DC/DC開關電源，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，發(fā)展最快的當屬降壓式（BUCK）[4]。 開關電源技術于20世紀80年代引入我國，隨著計算機、通訊、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展,我國開關電源市場不斷增長，開關電源控制器芯片的研究已成為國內功率電子學領域中頗受關注的熱點。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關的行業(yè)，因此我們在設計DC/DC開關電源產品時，轉換效率必須作為一個重要的指標加以考慮。尤其是隨著采用3.6 V鋰離子電池作為電源的消費類電子產品市場不斷擴大，且功能和性能變得更多和更高，對適用于這類產品的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)實意義[5][6]。 1.2 課題發(fā)展現(xiàn)狀 DC/DC變換器是一種強非線性系統(tǒng)，由于電氣參數(shù)的不確定性以及負載的多變性，使得DC/DC變換器的控制變得較為復雜。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論，很難實現(xiàn)較好的動態(tài)性能。于是，進一步的研究在于對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學模型和采用先進的控制算法。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)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) 滑模變結構控制；(4) 自適應控制；(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，動態(tài)性能獲得很大改善，而且對參數(shù)的不確定性和負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[7]應用此模型對Boost電路進行閉環(huán)控制，不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量，而且實現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應。此方法一般適用于兩個狀態(tài)變量以上的DC/DC變換器拓撲。但這種控制方案的缺點是忽略了輸入電壓擾動，若輸入電壓擾動不為零，將會影響系統(tǒng)的性能甚至導致系統(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建模。文獻[8]中提出了兩個自由度控制的設計思想，來實現(xiàn) DC/ DC 變換器的魯棒控制。它能夠對負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，但其線性化小信號建模精確度不高，而且控制器結構不可變，下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應控制，這兩種控制能夠實現(xiàn)更理想的控制效果[8]。 3、滑模變結構控制 滑模變結構理論由前蘇聯(lián)學者歐曼爾揚諾夫(S.V. Emelyanov)、尤特金(V. I.Utkin)于20世紀50年代提出并發(fā)展至今?；Ｗ兘Y構控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，它使得系統(tǒng)在滑動模態(tài)下不僅保持對系統(tǒng)結構不確定性、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、自適應控制 20世紀50年代初提出的自適應控制方法是根據(jù)響應系統(tǒng)與目標系統(tǒng)對應變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調整響應系統(tǒng)的參數(shù)變化，最終使響應系統(tǒng)與目標系統(tǒng)同步。 文獻[9]、[10]分別提出了PI自適應串級控制和自適應PID串級控制，并很好地應用于DC/ DC升壓變換器中。此外，逆向自適應控制，雙環(huán)自適應控制和模型參考自適應控制等均已成功用于DC/ DC變換器。 這些控制方法的優(yōu)點是控制器結構靈活，能夠實現(xiàn)精確控制，并對參數(shù)變化具有很好的魯棒性。但由于其設計需要在線估計或辨識參數(shù)，導致實現(xiàn)困難，而且存在實時性問題。自適應控制與其它控制方法以及智能控制相結合可以避免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)代控制理論的發(fā)展，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進控制策略。這些方法不需要建立精確的數(shù)學模型，對系統(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，可以簡化非常復雜的建模問題而更適于實際應用[11]。 1.3 論文結構和主要內容 第一章為緒論部分。首先闡述了課題研究的背景和意義，然后總結了當前技術發(fā)展現(xiàn)狀，最后簡要交代了本論文的內容和結構安排。 第二章介紹了Buck變換器技術,其中詳細分析了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變換器的主電路設計。 第四章分析了Buck變換器雙閉環(huán)控制結構，從電流內環(huán)到電壓外環(huán)，依次分析設計。 第五章利用Simulink對Buck變換器進行仿真。 第六章 總結與展望。本章對這次畢業(yè)設計進行總結，提出不足和仍需完成的工作。 第二章 Buck變換器基本原理 2.1 Buck變換器工作原理 Buck電路是由一個功率晶體管開關Q與負載串聯(lián)構成的，其電路如圖2.1。驅動信號Ub周期地控制功率晶體管Q的導通與截止，當晶體管導通時，若忽略其飽和壓降，輸出電壓Uo等于輸入電壓；當晶體管截止時，若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2.1 Buck變換器電路 圖2.2 Buck變換器的主要工作波形 2.2 Buck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： ① 開關管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 當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，可以認為輸出電壓為常數(shù)。 在一個開關周期中，變換器有2種開關模態(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 各開關模態(tài)的工作情況描述如下 （1） 開關模態(tài)0[t0~t1] 圖2.5對應圖2.3 [t0~t1]時刻。在t0時刻，開關管Q恰好開通，二極管D截止。此時： （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 （2） 開關模態(tài)1[t1~t2] 圖2.6對應圖2.4 [t1~t2]時刻。在t1時刻，開關管Q恰好關斷，二極管D導通。此時： （2-3） 電感中的電流線性下降，式2-3可寫成： （2-4） 式中Toff為開關管Q的關斷時間。在穩(wěn)態(tài)時，，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 2.3 Buck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)時變換器的外特性，輸出電壓與負載電流無關。當負載電流減小時，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)時電流波形圖。 由式2-2與式2-4可知，當輸入電壓和輸出電壓一定時，為常數(shù)。由式2-6可見，當負載電流減少到時，，此時最小負載電流，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)電流與占空度的關系為二次函數(shù)，當D=1/2時，臨界連續(xù)電流達到最大值： （2-9） 當電感電流斷續(xù)時，即在Toff結束前續(xù)流二極管的電流已下降到0，此時輸出的平均電流為： （2-10） 式中，為開關管關斷后電感電流持續(xù)的時間，并且： （2-11） 穩(wěn)態(tài)時，，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，而且與負載電流有關[13][14]。 第三章 Buck變換器主電路設計 3.1 占空比D 根據(jù)Buck變換器的性能指標要求及Buck變換器輸入輸出電壓之間的關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計算 變換器輕載時，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，也就是說開關管導通時間很短。如果這個時間小于開關管的存儲時間與最小控制時間之和，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)電流來設計電感，即。 在Q關斷時，由式2-4得： （3-2） 由Lf≥Lf(min)，取Lf=360uH。 （2）濾波電感Lf設計 ① 的電流時單向流動的，流過繞組的電流具有較大的直流分量，并疊加一個較小的交流分量，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，其有效導磁面積； ④ 初選一個氣隙大小，以計算繞組匝數(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。由下式計算得： （3-5） FEER42磁芯的材質為2500B,其飽和磁密為，顯然，符合要求。 ⑥ 計算繞組的線徑。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。當用26根由線徑為的漆包線來繞制時，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） 手冊表明，F(xiàn)EER42的窗口面積為，遠遠超過所需窗口面積，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；同時工作磁密遠遠小于飽和磁密，其鐵損非常小。 3.3 濾波電容Cf （1） 濾波電容量Cf計算 在開關變換器中，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。 若設，即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量，電容在時間間隔內充放電，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，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。 （3）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 開關管Q 該電路的輸入電壓是30V~60V，則開關管耐壓值為60V，電流的最大值為 （3-13） 其開關頻率為，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，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)控制結構 整個系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制結構圖如圖4.1。 iL* - + Gv Uo* + iL 1/R Uo KPWM Gi (1/SC)//Rc - + 1/SL - + - 圖4.1 系統(tǒng)總控制框圖 圖中Gv、Gi網(wǎng)絡傳函需根據(jù)各環(huán)傳函的特性設計相應的零極點以及增益值，使系統(tǒng)傳函達到我們的目標函數(shù)。 下面對電路進行分析，從電流內環(huán)的設計到電壓外環(huán)的設計。 4.2 電流內環(huán)設計 先不考慮電壓環(huán)，則電流內環(huán)框圖如下圖4.2。 iL* iL + KPWM Gi 1/SL - UD 圖4.2 電流內環(huán)控制框圖 未加入補償網(wǎng)絡Gi校正時，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 未加補償時系統(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。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，加入補償網(wǎng)絡，設計將之前的積分環(huán)節(jié)變成如下特性曲線。 圖4.4 計劃加入補償后的伯德圖 圖中，含A、B兩轉折點，設定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償網(wǎng)絡的傳函 （4-5） 加入了補償環(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)設計 電壓環(huán)控制框圖如下。 iL* - + Gv Uo* iL Uo G’i(S) (1/SC)//Rc 圖4.6 電壓環(huán)控制框圖 設計電壓環(huán)時，我們也希望將其開環(huán)特性設計成如下曲線。 圖4.7 計劃所要設計的電壓環(huán)（曲線3） 上圖中，曲線3為我們設計所要達到的電壓環(huán)特性曲線，盡量做到D點所對應的頻率小于A點所對應的頻率。為在設計電壓環(huán)之前，先看一個問題，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 實際上在B點之前，對于電壓環(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，在設計電壓環(huán)時，便可對電流閉環(huán)作一簡化，將其等效為一比例環(huán)節(jié)，增益為1。 電壓環(huán)未加入補償時，電路開路傳函為 （4-8） 該傳函頻率特性曲線如下圖， 圖4.9 未加補償網(wǎng)絡時電壓開環(huán)傳函伯德圖 圖4.9中，幅頻特性中包含一個極點， （4-9） 包含一個零點， （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，可推測補償網(wǎng)絡傳函形式： （4-11） 零點由大致確定，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，，。作出該補償網(wǎng)絡的幅頻與相頻特性曲線圖。 圖4.10 電壓環(huán)補償網(wǎng)絡傳函伯德圖 加入補償網(wǎng)絡后，整個電路系統(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，顯然不滿足設計要求，在對濾波電感、電容進行調節(jié)時，可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：電感越小，超調越大，越穩(wěn)定；電容越小，超調越小，紋波越大。因此，需要在穩(wěn)定度，超調量，紋波電壓之間進行折衷，對電感、電容進行調節(jié)。因此需要對電路進行閉環(huán)調節(jié)，本設計采用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 利用小信號模型，對Buck電路進行建模，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，所以要想對電路紋波進行比較精確地控制必須考慮寄生電阻的影響，而對于一般的電容，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)路的準則：一、幅頻曲線的穿越頻率范圍為開關頻率的1/5～1/4,因為本文所選開關頻率為，而此時穿越頻率，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如何減小穿越頻率，從而達到系統(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問題。 5.3 PI控制方法的仿真設計 根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖并結合PI控制器的特點可知在系統(tǒng)中加上PI控制器可以減小系統(tǒng)的幅頻特性，相當于整條幅頻特性曲線下移，從而達到減小穿越頻率的目的。它用積分代替了滯后網(wǎng)絡傳遞函數(shù)分母的慣性環(huán)節(jié)，所以可以提高系統(tǒng)的誤差型別。又因為它有又半平面的開環(huán)零點，可以緩和PI零極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性產生的不利影響。只要積分時間常數(shù)足夠大,積分對系統(tǒng)的不利影響可大為減少，所以它可以在不明顯影響穩(wěn)定性的基礎上，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。與之后校正網(wǎng)絡相同的是由于其復制的高頻衰減作用，它也使系統(tǒng)的響應速度下降，這也是PI控制器的主要缺點[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)定準則知系統(tǒng)穩(wěn)定時的穿越頻率取值范圍為4000～5000Hz，取開關頻率為4800Hz，根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，其對應的賦值為16dB 。所以，，，取，所以對應的PI參數(shù)P=0.16，I=10。在實際的調整過程中有對參數(shù)進行了微調，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 加入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偏小，這是需要完善的地方。其他系統(tǒng)指標要求也基本上達到要求，綜合幾方面的考慮，加入PI控制器這種方法切實可行，取得了預期的效果。下面又對PID控制方法進行了探索，希望能得到更好的控制精度。 5.4 PID控制方法的仿真設計 上一部分PI控制方法雖然基本上達到了控制要求，但仍有不足之處，下面嘗試用PID控制策略使其達到更理想的控制要求。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調節(jié)參數(shù) ，湊試法是通過模擬（或閉環(huán)）運行觀察系統(tǒng)的響應（例如，階躍響應）曲線，然后根據(jù)各調節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID的調節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應，這有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調，并產生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。減小有利于加快系統(tǒng)響應，使超調量減小，穩(wěn)定性增加，但對于干擾信號的抑制能力將減弱。[18]在湊試時，可參考以上參數(shù)分析控制過程的影響趨勢，對參數(shù)進行先比例，后積分，再微分的整定步驟。其具體步驟如下： 首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小調大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內，并且響應曲線已屬滿意，那么只需要用比例調節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。 當僅調節(jié)比例調節(jié)器參數(shù)，控制精度還達不到設計要求時，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時，首先置積分常數(shù)為一個較小值，經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)會略為增大（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)響應曲線的好壞反復修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應的參數(shù)。應該指出，在整定中參數(shù)的選定不是惟一的。事實上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。[19]從應用角度來看，只要被控制過程的主要性能指標達到設計要求，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。 加入PID控制器的電路拓補結構如下： 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，各項指標都達到了較高的控制精度。PID控制方法也有很多不足之處，而且PID參數(shù)的選取過程中花費了大量的時間，還有其它更好的選取方法值得我去借鑒，這將在以后的學習過程中去實施。 第六章 總結與展望 近年來，DC/DC開關變換器以其轉換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大