电力电子课程设计

changzhou institute of technology

课程设计说明书。

课程设计名称：电力电子。

题目：buck电路闭环pid控制系统的matlab**—15v/5v

二级学院(直属学部)：电子信息与电气工程学院。

专业：电气工程及其自动化班级：07电单。

学生姓名学号：

指导教师姓名：韩霞职称：讲师。

2011 年 1 月。

电力电子课程设计任务书。

二级学院（直属学部）：电子信息与电气工程学院专业：电气工程及其自动化。

班级：目录。

一、buck变换器的基本原理 5

二、buck变换器主电路参数设计 5

2.1 buck变换器性能指标 5

2.2 buck变换器主电路设计 6

三、buck变换器闭环pid控制的参数设计 7

3.1 反馈回路设计 7

3.2传函分析 7

3.3 补偿环节的设计 9

四、buck变换器闭环系统的** 12

4.1 buck变换器闭环**参数及指标 12

4.2 buck变换器闭环**电路原理图 13

4.3 buck变换器的闭环**结果与分析 14

五、课程总结 14

六、参考文献 15

七、附录 15

附录1 15

附录2 16

buck电路是由一个功率晶体管开关q与负载串联构成的，其电路如图1.1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。

电路的主要工作波形如图1.2。

图1.1 buck变换器电路。

图1.2 buck变换器的主要工作波形。

1、输入直流电压(vin)：15v

2、输出电压(vo)：5v

3、输出电流(in)：10a

4、输出电压纹波(vrr)：50mv

5、pwm锯齿波基准电压(vref)：1.5v

6、负载调整率 si≤5%

7、开关频率(fs)：100khz

8、采样网络传函h(s)=0.3

9、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75uω*f

2.2.1 占空比d

根据buck变换器的性能指标要求及buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比：

式2-1）2.2.2滤波电容c

输出纹波电压只与电容的容量以及esr有关，（式2-2）

c与rc的乘积趋于常数，约为50~80μ*ωf。本例中取为75μω*f，由式(2-2)可得rc=25mω，则c=3000μf。

2.2.3滤波电感l

开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2-3)、(2-4)所示：

（式2-3）

（式2-4）

根据buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降vd=0.5v，电感中的电阻压降vl=0.1v，开关管导通压降von=0.5v。

将数据代入（式2-3）、（式2-4）得。

1)/(2)得（3）

又因为，可得ton=3.73μs，将此值回代式(1)，可得l=17.5μh

补偿网络电路如下图所示：

图3.1 有源超前—滞后补偿网络。

反馈回路既h（s）取0.3，即为0.3。取ry为3k欧姆，rx为7k欧姆。一端接地。

加了补偿器之后的buck变换器系统框图和系统主电路图如下图所示：

系统框图如下：

图3.2 buck变换器系统框图。

主电路图如下：

图3.3主电路图。

整个buck电路包括gc（s）补偿器，gm（s）pwm控制器，**d（s）开环传递函数和h（s）反馈回路。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u0作出相应的调整，来消除偏差。

开环下，传递函数**d为：

式3-1）带入（式3-1）数据得：

原始回路增益函数为：

（式3-2）

带入（式3-2）数据得：

用matlab**得开环下系统的伯德图为：

图3.4 开环传递函数的伯德图。

由matlab得：

图3.5 开环传递函数的相角裕度和幅值裕度。

相角裕度只有40.4度，相角裕度过低，不满足设计要求。需加入补偿器。可采用有源超前滞后校正器。

所用matlab程序如下：

num=[0.225*10^-3 3];

den=[5.25*10^-8 3.5^-5 1]；

g=tf(num,den);

margin(g)

根据已知条件使用matlab程序（见附录1）算得以下各参数值：

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。

零点为： =347.3046hz

347.3046hz

极点为：为原点， =1000000hz

1000000hz

频率与之间的增益可近似为： =0.5091

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。

buck变换器闭环传递函数：

根据已知条件使用matlab程序（见附录1）算得校正器gc（s）各元件的值如下：

取 r2=10000欧姆

h(s)=0.3

算得：r1=1.964e+004欧姆 r3=6.8214欧姆。

c1=4.5826e-008f c2=1.5915e-011f c3=2.3332e-008f

补偿器伯德图为：

图3.6 超前滞后校正器的伯德图。

加入补偿器后：

图3.7 加入补偿器后系统的伯德图。

相角裕度和幅值裕度为：

图3.8 加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度。

相角裕度到达172度，符合设计要求。（所用matlab程序见附录1）

为了验证闭环控制的工作原理及正确性，采用saber软件对电路做了**分析。**所用的参数为：

输入直流电压：vin=15v；

输出直流电压：vo=5v；

开关频率：fs=100khz；

输出电流：io=10a；

输出滤波电感：lf=17.5uh；

输出滤波电容：cf=3000uf；

采样分压电阻：rx=7kω，ry=3kω；

参考电压：vref=1.5v；

补偿网络：r1=19.647kω，r2=10kω，r3=6.8214ω，c1=0.45826nf，c2=159.15nf，c3=0.23332nf；

载波信号：锯齿波vm=1.5v，t=5ms

图4.2 闭环**电路原理图。

**结果如下图4.3

图4.3 闭环**输出电压与负载电流波形。

本次电力电子课程设计针对buck变换器进行了详细的介绍，包括buck电路的工作原理分析、buck电路的主电路参数设计、buck电路的闭环参数设计及buck电路的闭环**。通过闭环控制，可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。考虑到实际应用和软件修改的方便，设计中补偿电路采用的是pid控制策略。

在pid控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。另外，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有三个极点、双零点补偿的有源超前-滞后补偿网络。增设的两个零点补偿由于buck变换器的极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的esr零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。

电力电子课程设计

电力电子课程设计

电力电子课程设计

电力电子课程设计

其他用户还读了