编号
南京航空航天大学
电气工程综合设计报告题目Buck电路闭环控制策略研究
学院自动化学院
专业电气工程及其自动化
指导教师毛玲
二〇一五年一月
电气工程综合设计（论文）报告纸
i
Buck 电路闭环控制策略研究
摘 要
首先，本文对Buck 电路的3种闭环控制策略进行了原理分析，比较，并对Buck 主功率级电路进行了原理分析和建模，最后完成主电路的参数设计。
其次，本文详细阐述了V2控制工作原理，推导V2控制环的传递函数，并且建立小信号模型，对控制器进行优化设计。最后使用SABER2007对BUCK 电路的V2控制电路进行了时域频域仿真。
关键词：Buck 电路，V2控制
第一章概述 1、1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器(DC-DC)就是一种将直流基础电源转变为其她电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V,由于在通信系统中仍存在?24V(通信设备)及+12V、+5V(集成电路)的工作电源,因此,有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源,以供实际使用。D C/DC变换就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。主要有 (1)Buck电路——降压斩波,其输出平均电压小于输入电压,极性相同。 (2)Boost电路——升压斩波,其输出平均电压大于输入电压,极性相同。 (3)Buck－Boost电路——降压―升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电感传输。 (4)Cuk电路——降压或升压斩波,其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反,电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1、2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80～90)%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商、2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200～300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。
uck 电路的设计与仿真 1、Buck 电路设计： 设计一降压变换器，输入电压为 20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出 电压的0.5%，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的 电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 解：(1)工作频率为10kHz 时， A.主开关管可使用MOSFET ,开关频率为10kHz ; B 输入20V ，输出5V ，可确定占空比 Dc=25% ; C.根据如下公式选择电感 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>L c 则电感电流连续，实际电感值 可选为1.1~1.2倍的临界电感，可选择为4 10?H ； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 C=^^T s2 J =4.17 10 牛 8L^U 。 8 沃 4.5 沃 10 X0.0055 1 0000 (2)工作频率为50kHz 时， A.主开关管可使用MOSFET ,开关频率为50kHz ; B 输入20V ，输出5V ，可确定占空比 Dc=25% ; C.根据如下公式选择电感 . (1—DJR T (1 —0.25)汇10,. 1 L c (1 _DJR T 2 s (1-0.25)1° 亠 2 10000 = 3.75 10* H 5 (1-0.25) 0.75 10, H 50000 这个值是电感电流连续与否的临界值, L>Lc 则电感电流连续，实际电感值
L c T s 2
可选为1.2倍的临界电感，可选择为0.9 10" H ； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 分析：在其他条件不变的情况下，若开关频率提高 n 倍，则电感值减小为 1/n ，电容值也减小到1/n 。从上面推导中也得出这个结论 2、Buck 电路仿真: 利用sim power systems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输 入电压为20V 的直流电压源，开关管选 MOSFET 模块（参数默认），用Pulse Gen erator 模块产生脉冲驱动开关管 建模: 分别做两种开关频率下的仿真 工作频率为10kHz 时 U o (1-D c ) 8L U o T s 2 5 (1-0.25) 1 8 0.9 10J 0.005 5 500002 = 0.833 10*F matlab20120510 ?
第一章概述 1.1 直流―直流变换的分类 直流—直流变换器（DC-DC）是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为?48V，由于在通信系统中仍存在?24V（通信设备）及+12V、+5V（集成电路）的工作电源，因此，有必要将?48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源，以供实际使用。D C/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。主要有 （1）Buck电路——降压斩波，其输出平均电压小于输入电压，极性相同。 （2）Boost电路——升压斩波，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。 （3）Buck－Boost电路——降压―升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反,电感传输。 （4）Cuk电路——降压或升压斩波，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电容传输。 此外还有Sepic、Zeta电路。 1.2 直流—直流变换器的发展 当今软开关技术的发展使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司(美国怀格公司,国际知名的电源模块生产厂家)设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）%。日本NEMIC—LAMBDA(联美兰达,日本的开关电源厂商.2012年兰达被TDK收购,名称也改为TDK-LAMBDA)公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。
Buck电路设计与仿真 姓名：朱龙胜 班级：电气1102 学号：11291065 日期：2014年5月10日 指导老师：郭希铮 北京交通大学
计算机仿真技术作业四 题目：Buck 电路的设计与仿真 1、Buck 电路设计： 设计一降压变换器，输入电压为20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 2、Buck 电路理论计算: 由以下公式计算: 20.252.0.5A (1) 3.5% 8() 4.2o d o o o s o s d o LB OB V D V V I R V T D V LC DT V V I I L = == =?-==-== 1.占空比: 负载电流: 纹波电压: 电流连续条件： 得到下列计算结果 3、Buck 电路仿真: 利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V 的直流电压源，开关管选MOSFET 模块(参数默认)，用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。 (1)使用理论计算的占空比(D=0.25)，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。 4、仿真过程:: A ．建立模型: 建立仿真模型如下如所示 :
B. 记录数据: 仿真算法选择ode23tb,最大步长为0.1s ，占空比D=0.25进行仿真，记录数据如下表所 C ．仿真过程: 当f s =10KHz,L=0.375mH C=500μF, 占空比D=0.25,电流连续的临界状态时，记录稳态直流电压值V o =4.736V ，稳态直流电压理论值5V 计算稳态直流纹波电压的理论值 2(1D)0.025V 8s o o T V V CL -?==,通过图中得到直流纹波电压为0.0267V 当fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时, 由(1)o S L V D T I L -?= ，得电感电流波动理论值是1A ，由图像得到电感电流波动值是 1A ，与理论计算相符合
转速电流双闭环直流调速系统仿真 摘要：本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对MATLAB软件的使用。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，形成转速电流双闭环直流调速系统。在Simulink中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。 关键词：双闭环直流调速系统，MATLAB/SIMULINK仿真，ASR，ACR。 课程概述：直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。其次并基于双闭环的电气原理图的SIMULINK的仿真，分析了直流调速系统的动态抗干扰性能。采用工程设计方法
BUCK 电路闭环PID 控制系统 的MATLAB 仿真 一、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U i 。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、BUCK 变换器主电路参数设计 2.1设计及内容及要求 1、 输入直流电压(VIN)：15V 2、 输出电压(VO)：5V 3、 输出电流(IN)：10A 4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp ≤50mV 5、 锯齿波幅值Um=1.5V 6、开关频率(fs)：100kHz 7、采样网络传函H(s)=0.3 8、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 F *Ωμ75
2.2主电路设计 根据以上的对课题的分析设计主电路如下： 图2-1 主电路图 1、滤波电容的设计 因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR 有关， rr rr C L N 0.2V V R i I == ? （1） 电解电容生产厂商很少给出ESR ，但C 与R C 的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF [3]。在本课题中取为75μΩ*F ，由式(1)可得R C =25mΩ，C =3000μF 。 2、滤波电感设计 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)所示： IN O L ON L ON /V V V V L i T ---=?（2） O L D L OFF /V V V L i T ++=? （3） off 1/on s T T f += (4) 由上得： L in o L D on V V V V L T i ---=? (5) 假设二极管的通态压降V D =0.5V ，电感中的电阻压降V L =0.1V ，开关管导通压降V ON =0.5V 。利用ON OFF S 1T T f +=，可得T ON =3.73μS ，将此值回代式(5)，可得L =17.5μH
案例5.3-转速、电流双闭环直流调速系统
案例5.3 转速、电流双闭环直流调速系统 一、概述 晶闸管电动机直流调速系统在工业生产中获得广 泛应用。国内外晶闸管—电动机直流调速装置品种繁多。现以ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置（简称ZCC1系列）为例，来阐述晶闸管—电动机直流调速系统分析、调试的一般方法与步骤。ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置为三相全控桥不可逆直流调速装置，是以Z2、Z3系列直流电动机电枢供电为主要用途的、通用的晶闸管—电动机调速装置。该装置的基本性能如下： (1)装置的负荷性质按连续工作制考核。 (2)装置在长期额定负荷下，允许150%额定负荷持续二分钟，200%额定负荷持续10秒钟，其重复周期不少于1小时。 (3)装置在交流进线端的电压为（0.9~1.05）380伏时，保证装置输出端处输出额定电压和额定电流。电网电压下降超过10%范围时输出额定电压同电源电压成正比例下降。 (4)装置在采用转速反馈情况下，调速范围为20∶1，在电动机负载从10%~100%额定电流变化时，转速偏差为最高转速的0.5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。转速反馈元件采用ZYS型永磁直流测速发电机。 (5)装置在采用电动势反馈（电压负反馈、电流正
(6)
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由图3-1可知，控制系统主要由给定积分器（GJ）、速度（转速）调节器（ASR）、电流调节器（ACR）、触发输入及保护单元（CSR）、触发器（CF）、速度变换器（SB）、电流变换器（LB）等组成。速度（转速）调速器的输出作为电流调节器的给定电压，电流调节器的输出作为触发装置的移相控制电压，速度（转速）调节器和电流调节器采用PI调节器。 ZCC1系列晶闸管直流调速装置各单元的电气原理图如图3-2至图3-9所示。 三、直流调速系统简单工作原理 下面结合整个系统对不可逆直流调速系统停车、正向启动、减速各种运行工作过程进行分析。 (1)停车状态电动机停车时，开关S打开，给定电 压U gn =0，速度（转速）调节器单元中A 1 速度比较器输出 一个大于+8V的推β信号电压，使速度（转速）调节器 输出电压为负向限幅值-U gi ，电流调节器输出电压为正 向限幅值U Kmax ，通过触发输入单元CSR、触发器CF，使晶 闸管变流器控制角处于最小逆变角β min ，电动机处于停车状态。 (2)电动机正向启动运行当开关S闭合，给出负的 正向速度给定电压（U gn =-），当速度给定电压U g >0.2时 A 1 速度比较器迅速翻转输出为负电压，使速度（转速） 调节器迅速退出负限幅值-U gi 并开始按速度偏差信号进
Buck变换器设计——作业 一．Buck主电路设计 1.占空比D计算 2.电感L计算 3.电容C计算 4.开关元件Q的选取 二. Buck变换器开环分析 三. Buck闭环控制设计 1.闭环控制原理 2.补偿环节Gc(s)的设计——K因子法 3.PSIM仿真 4. 补偿环节Gc(s)的修正——应用sisotool 5．修正后的PSIM仿真 四．标称值电路PSIM仿真 五．设计体会 Buck变换器性能指标: 输入电压：标准直流电压48V，变化范围：43V~53V
输出电压：直流电压24V ，5A 输出电压纹波：100mv 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=250kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB 一. Buck 主电路设计： 1.占空比D 计算 根据Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D 的变化范围。 .50V 48V 24U U D .4530V 53V 24U U D 0.558 V 43V 24U U D innom o nom max in o min min in o max ========= 2.电感L 计算 uH 105f i 2)D U -(U i 2)T U -(U L s L min o inmax L on(min) o inmax =?=?= 3.电容C 计算 uF 25.1250000 *1.0*825 .0vf 8i C s L ==??= 电容耐压值：由于最大输出电压为24.1V ，则电容耐压值应大于24.1V 。 考虑到能量储存以及伏在变化的影响，要留有一定的裕度，故电容选取120uf/50V 电容。 4.开关元件Q 的选取
Buck 电路双闭环控制 一 引言 BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo 总是小于输出电压U D 。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L 以及电容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，加入补偿网络，可实现闭环控制，通过采样环节得到所需电压/电流信号，再与基准值进行比较，通过闭环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 电路闭环控制系统。Buck 电路的闭环控制有电压环控制、电流环控制以及二者结合的双闭环控制，此处采用双闭环控制：电流内环，电压外环。根据相关的电路设计适当的补偿网络对电路进行校正，提高电路系统输出性能。 二 BUCK 变换器主电路参数设计 2.1 设计及内容及要求 1） 输入直流电压(in V )：50V 2） 额定输出电压(o V )：15V 3） 额定输出电流(o I )：1.67A 4） 输出电压纹波峰-峰值：mV V o 016.02≤? 5） 电感电流纹波峰峰值：A I L 42.02≤? 5） 锯齿波幅值(p V )：2.5V 6） 开关频率(s f )：100kHz 7） 输出电压采样网络传函3/1)(=s H
2.2主电路设计 根据以上的对课题的分析设计主电路如下： 图2-1 Buck 电路原理图 1）占空比计算 3.015 50=== o in V V D ，进而有S f D DT t s s on μ3/=== 2）滤波电感设计 由L L u dt di L =可知，)1(1 2D T V L I s o L -= ?，代入数值得mH L 25.0=，考虑到 电感寄生电阻，取Ωm 1。 3）滤波电容设计 由c c i dt du C =可知，L s o I T C V ????=?22112，代入数值得uF C 83.20=，考虑到 电容的等效串联电阻，Ω=01.0ESR R 。 三 Buck 变换器控制器参数设计 3.1 电路双闭环控制结构 整个系统的双闭环控制结构图如图3-1。 图3-1 系统总控制框图 图中Gv 、Gi 网络传函需根据各环传函的特性设计相应的零极点以及增益值，使系统传函达到我们的目标函数。 下面对电路进行分析，从电流内环的设计到电压外环的设计。
运动控制课程设计 专业：自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2015年07月 16 日
转速、电流双闭环直流调速系统设计 1.设计目的 一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。故采用转速、电流双闭环控制系统。 2.设计任务 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路；基本数据如下： (1)直流电动机：220V、160A、1460r/min、Ce=0.129Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5； (2)晶闸管装置放大系数：K s=40； (3)电枢回路总电阻：R=0.5Ω； (4)时间常数：T l=0.03s，T m=0.19s； (5)电流反馈系数：β=0.042V/A； (6)转速反馈系数：α=0.0068Vmin/r； 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。 3.设计要求 根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统： (1)设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统； (2)分析电流环不同参数下的仿真曲线； (3)在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统； (4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线 (5)进行Simulink仿真，验证设计的有效性。 4.设计内容 4.1双闭环直流调速系统的组成
功率变换器计算机仿真与设计题目BUCK变换器电路设计 学生姓名 学号 学院 专业电气工程及自动化 班级 指导教师 2013年 10月 20日
一、设计要求 1.1 设计指标： 设计一个BUCK直流变换器，主电路拓扑如图1.1（参数需重新设置），使得其满足以下性能要求： 高压侧蓄电池输入电压V in：30-60V(额定电压48V) 低压侧直流母线输出电压V out：24V 输出电压纹波V out（p-p）：25mV 输出电流I out：2A 开关频率f s：200kHz 电感电流临界连续时I G：0.1A 12 图1.1
二、开环参数计算及仿真 2.1 主电路参数计算： (1)高压侧输入电压V in 变化范围为30-60V ，低压侧输出电压V out 为24V ，则占空比： 8.030 24 min max === in out V V D 4.06024 max min === in out V V D 5.048 24 === innom out nom V V D (2)由于输出电流I out 为2A ，故负载电阻：12out out V R I = =Ω (3)根据电感电流临界连续时I G ：0.1A ，可由下式计算得滤波电感感值： H T I U L U T I L OFF o o CCM o μμ3605)4.01(2 .024 2max min )min(=?-?--==?=?? (4)根据输出电压纹波V out （p-p ）为25mV ，可由下式计算得滤波电容容值： uF f V I C I T C idt C V p p out ripple o p p out T 510 200102582 .082211133)(0) (2=????==?==---? 取F C f μ10=，其中开关频率f 为200KHZ 。 在实际器件中，电容存在寄生电阻，因此实际器件仿真时，电容的选取如下： Ω ====???=??=?-m 125ESR ,600C ,u 520C 25,10652.0min max pp 6 uF F mV V C ESR I V 取而 2.2 开关管及二极管应力计算： （1）开关管的选取 功率管承受的最大电压为60V ，流过开关管电流最大值为2A ，开关管电压电流降额系数均为0.5，则开关管电压要大于或等于120V ，电流最大值要大于4A 。粗略以最大占空比计算电流的有效值为3.2A ，则最大功率为384W ，取400W 。根据仿真,可选irf460作为开关管。 （2）二极管的选取
第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器 的工程设计方法 内容提要： 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。我们将重点学习： ●转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 ●双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 ●调节器的工程设计方法 ●按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 ●弱磁控制的直流调速系统 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 问题的提出： 第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。 1. 主要原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。 2．理想的启动过程 a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b) 理想的快速起动过程 2-1 直 流调速系统起动过程的电流和转速波形 性能比较： 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。 3. 解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用
现代电源技术 基于BUCK电路的电源设计
学院：专业：姓名：班级：学号：指导教师：日期：
目录 摘要 (4) 一、设计意义及目的 (5) 二、Buck电路基本原理和设计指标 (5) 2.1 Buck电路基本原理 (5) 2.2 Buck电路设计指标 (7) 三、参数计算及交流小信号等效模型建立 (7) 3.1 电路参数计算 (7) 3.2 交流小信号等效模型建立 (11) 四、控制器设计 (12) 五、Matlab电路仿真 (18) 5.1 开环系统仿真 (18) 5.2 闭环系统仿真 (19) 六、设计总结 (22)
摘要 Buck电路是DC-DC电路中一种重要的基本电路，具有体积小、效率高的优点。本次设计采用Buck电路作为主电路进行开关电源设计，根据伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理，通过交流小信号模型的建立和控制器的设计，成功地设计了Buck电路开关电源，通过MATLAB/Simulink进行仿真达到了预设的参数要求，并有效地缩短了调节时间和纹波。通过此次设计，对所学课程的有效复习与巩固，并初步掌握了开关电源的设计方法，为以后的学习奠定基础。 关键词：开关电源设计 Buck电路
一、设计意义及目的 通常所用电力分为直流和交流两种，从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，因此需要进行电力变换。常用的电力变换分为四大类，即：交流变直流（AC-DC），直流变交流（DC-AC），直流变直流（DC-DC）,交流变交流（AC-AC）。其中DC-DC电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包过直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路又称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，主要包括六种基本斩波电路：Buck电路，Boost电路，Buck-Boost电路，Cuk电路，Sepic电路，Zeta 电路。其中最基本的一种电路就是Buck电路。 因此，本文选用Buck电路作为主电路进行电源设计，以达到熟悉开关电源基本原理，熟悉伏秒平衡、安秒平衡、小扰动近似等原理，熟练的运用开关电源直流变压器等效模型，熟悉开关电源的交流小信号模型及控制器设计原理的目的。这些知识均是《线代电源设计》课程中所学核心知识点，通过本次设计，将有效巩固课堂所学知识，并加深理解。 二、Buck电路基本原理和设计指标 2.1 Buck电路基本原理 Buck变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器，主要用于电力电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。其基本结构如图1所示：
题目：Buck 电路的设计与仿真 1、Buck 电路设计： 设计一降压变换器，输入电压为20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 解：（1）工作频率为10kHz 时， A.主开关管可使用MOSFET ，开关频率为10kHz ； B.输入20V ，输出5V ，可确定占空比Dc=25%； C.根据如下公式选择电感 H T R D L s c c 41075.310000 1 210)25.01(2)1(-?=??-=-= 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>c L 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4 105.4-?； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值 =?-= 2008)1(s c T U L D U C 2 410000 15005.0105.48)25.01(5?????-?-=F 4 1017.4-? （2）工作频率为50kHz 时， A.主开关管可使用MOSFET ，开关频率为50kHz ； B.输入20V ，输出5V ，可确定占空比Dc=25%； C.根据如下公式选择电感 H T R D L s c c 41075.050000 1 210)25.01(2)1(-?=??-=-= 这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4 109.0-?； D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值
=?-= 2008)1(s c T U L D U C 2 450000 15005.0109.08)25.01(5?????-?-=F 4 10833.0-? 分析： 在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n 倍，则电感值减小为1/n ，电容值也减小到1/n 。从上面推导中也得出这个结论。 2、Buck 电路仿真： 利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V 的直流电压源，开关管选MOSFET 模块(参数默认)，用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。 （一）开关频率为10Hz 时； (1)使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。 由第一步理论计算得占空比Dc=25%； 实验仿真模型如下所示（稳态直流电压值为4.299V ）： 直流电压整体波形如下所示：
Buck 电路闭环控制器设计 15121501 曾洋斌 作业要求： 1、 建立Buck 电路的状态平均模型，设计系统闭环控制器； 2、 分析稳态误差产生原因，并提出改进措施，并进行仿真； 3、完成作业报告。 4、Buck 电路参数：输入电压为20V ，输出电压5V ，负载电阻4欧姆，电感1×10-3H ，电容5×10-4F ，开关频率20kHz 。 一、Buck 电路的状态平均模型 根据题目所给参数，容易计算得其占空比为25%，Buck 电路如图1所示： S V o V 图1：Buck 电路 根据状态空间平均法建模步骤如下： 1、列写状态方程、求平均变量 设状态方程各项如下： [()()]T L o i t v t =x ()s u v t = ()VD y i t = 则有状态方程如下： x =Ax +Bu T y =C x
（1）列写[0，1S d T ]时间的状态方程 如图2所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数 矩阵如下所示： 11011L C RC ?? - ? = ? ?- ???A ，11[0]T L =B ，1[00]T =C S V o V 图2：开关VT 导通状态 （2）列写[1S d T ，S T ]时间的状态方程 如图3所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数 矩阵如下所示： 21011L C RC ??- ? = ? ?- ???A ，2[00]T =B ，2[10]T =C S V o V 图3：开关VT 关断状态 因此，在[0，1S d T ]和[1S d T ，S T ]两个时间段分别有如下两种状态方程：
BUCK 电路PID 控制器设计及仿真 本文在BUCK 电路传递函数的基础上对BUCK 电路的开环特性进行了分析，并利用MATLAB 的SISOTOOL 工具箱设计了PID 控制器，然后用以运放为核心搭建了PID 控制器硬件电路，最后在PSIM 上对BUCK 电路进行闭环仿真。 1. 设计指标 输入直流电压(Vin)：28V 输出电压(Vo)：15V 基准电压(Vref)：5V 开关频率(fs)：100kHz 三角载波峰峰值：Vm=4V 图1为Buck 变换器主电路，元件参数如图所示： 500uF 50uH 3 28v 图1 buck 变换器主电路 2. PID 控制器设计 2 .1原始系统分析 BUCK 变换器构成的负反馈控制系统如图3.1所示： + - ) (s G c ) (s G m ) (s G vd ) (s H )(s V ref )(s B ) (s E ) (s V c ) (s d ) (s V o 反馈信号 参考信号 误差信号图2 BUCK 变换器闭环系统 其中为占空比至输出电压的传递函数， 为PWM 脉宽调制器的传递函数， 表示反馈分压网络的传递函数， 是误差信号 至控制量
的传递函数，为补偿网络的传递函数。 本系统中，PWM 调制器的传递函数为： ?1 ?4 m c m d(s) 1G (s)== =v (s)V （1 ） 式中， 为PWM 调制器中锯齿波的幅值。 反馈分压网络的传递函数为： 占空比至输出电压的传递函数为： 其中 ，，，，。 将参数代入式（3）可得， 对于BUCK 变换器系统，其回路增益函数 为 式中， 为未加补偿网络 时的回路增益函数，称为原始回路增益函数，将式子 （1）、（2）、（4）可得本系统中原始回路增益函数 根据式（7）可做出系统原始回路增益函数波特图如图3所示：
直流电机的转速电流双闭 环控制 The final edition was revised on December 14th, 2020.
直流电机的转速电流双闭环控制 摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。两个PI调节器都采用集成运放实现。其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。 关键词：电流环；转速环；PI调节器 The Rotate Speed and Current Double Closed Loop Feedback Control for DC Motor Abstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating making the DC motor started rapidly with the largest load is the same to starting rapidly with the largest ,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop. Key word: current feedback loop; rotate speed feedback loop;PI regulator
B u c k电路设计与 M A T L A B仿真 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
Buck电路设计与仿真 姓名：朱龙胜 班级：电气1102 学号： 日期： 2014年5月10日 指导老师：郭希铮 北京交通大学 计算机仿真技术作业四 题目：Buck电路的设计与仿真
1、Buck 电路设计： 设计一降压变换器，输入电压为20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出电压的％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。 2、Buck 电路理论计算: 由以下公式计算: 20.252.0.5A (1) 3.5% 8() 4.2o d o o o s o s d o LB OB V D V V I R V T D V LC DT V V I I L = == =?-==-==1.占空比: 负载电流: 纹波电压: 电流连续条件： 得到下列计算结果 3、Buck 电路仿真: 利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V 的直流电压源，开关管选MOSFET 模块(参数默认)，用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。 (1)使用理论计算的占空比(D=，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。 4、仿真过程:: A ．建立模型: 建立仿真模型如下如所示:
B. 记录数据: 仿真算法选择ode23tb,最大步长为，占空比D=进行仿真，记录数据如下表所示： 与理论值对比
Buck电路设计与仿真 姓名: 朱龙胜 班级: 电气1102 学号: 11291065 日期: 2014年5月10日 指导老师: 郭希铮 北京交通大学 计算机仿真技术作业四 题目:Buck电路的设计与仿真 1、Buck电路设计: 设计一降压变换器,输入电压为20V,输出电压5V,要求纹波电压为输出电压的0、5％,负载电阻10欧姆,求工作频率分别为10kHz与50kHz时所需的电感、电容。比较说明不同开关频率下,无源器件的选择。
2、Buck 电路理论计算: 由以下公式计算: 20.252.0.5A (1) 3.5% 8() 4.2o d o o o s o s d o LB OB V D V V I R V T D V LC DT V V I I L = == =?-==-== 1.占空比: 负载电流: 纹波电压: 电流连续条件： 利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V 的直流电压源,开关管选MOSFET 模块(参数默认),用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。 (1)使用理论计算的占空比(D=0、25),记录直流电压波形,计算稳态直流电压值,计算稳态直流纹波电压,并与理论公式比较,验证设计指标。 4、仿真过程:: A.建立模型: 建立仿真模型如下如所示 : 示 与理论值对比
当f s =10KHz,L=0、375mH C=500μF, 占空比D=0、25,电流连续的临界状态时,记录稳态直流电压值V o =4、736V,稳态直流电压理论值5V 计算稳态直流纹波电压的理论值 2(1D)0.025V 8s o o T V V CL -?==,通过图中得到直流纹波电压为0、0267V 当fs=10KHz,L=0、375mH, C=500μF,占空比D=0、25,电流连续的临界状态时, 由(1)o S L V D T I L -?= ,得电感电流波动理论值就是1A ,由图像得到电感电流波动值就 是1A,与理论计算相符合 Time/s P u l s e /V Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF) Time/s I L /V Inductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)
Buck 电路闭环控制器设计 曾洋斌 作业要求： 建立Buck 电路的状态平均模型，设计系统闭环控制器； 分析稳态误差产生原因，并提出改进措施，并进行仿真； 3、完成作业报告。 4、Buck 电路参数：输入电压为20V ，输出电压5V ，负载电阻4欧姆，电感1×10-3H ，电容5×10-4F ，开关频率20kHz 。 一、Buck 电路的状态平均模型 根据题目所给参数，容易计算得其占空比为25%，Buck 电路如图1所示： S V o V 图1：Buck 电路 根据状态空间平均法建模步骤如下： 1、列写状态方程、求平均变量 设状态方程各项如下： [()()]T L o i t v t =x ()s u v t = ()VD y i t = 则有状态方程如下： x =Ax +Bu &
T y =C x （1）列写[0，1S d T ]时间内的状态方程 如图2所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数矩阵如下所示： 11011L C RC ?? - ? = ? ?- ???A ，11[0]T L =B ，1[00]T =C S V o V 图2：开关VT 导通状态 （2）列写[1S d T ，S T ]时间内的状态方程 如图3所示，根据KCL 、KVL 以及电感电容的特性可以得到状态方程的系数矩阵如下所示： 21011L C RC ??- ? = ? ?- ???A ，2[00]T =B ，2[10]T =C S V o V
图3：开关VT 关断状态 因此，在[0，1S d T ]和[1S d T ，S T ]两个时间段内分别有如下两种状态方程： [0，1S d T ]： 11x x u =+A B &，1T y x =C [1S d T ，S T ]： 22x x u =+A B &，2T y x =C 根据平均状态向量：() ()1 S S t T T t S x t x d T ττ+=? 可得： ()()()() ()()()()() 112211S S S S S S S t dT t T T t t dT S t dT t T t t dT S x t x d x d T x u d x u d T ττττ ττττττ ++++++= +=+++????????? ? ? ?A B A B & 又根据建模的低频假设和小纹波假设，可得到如下近似： ()()S T x t x τ≈ () () S T u t u τ≈ 将这两个近似式回代原方程得： ''11211121() [()()]() [()()]() S S S T T T x t d t d t x t d t d t u t =+++A A B B & 同理可得： '1121() [()()]() S S T T T T y t d t d t x t =+C C & 因此有： X =AX +BU &，T Y =C X 其中 1112(1)d d =+-A A A ，1112(1)d d =+-ΒΒΒ，1112(1)T T T d d =+-C C C 2、求解稳态方程及动态方程 （1）求解稳态方程