基于Buck-Boost变换器驱动的无刷直流电动机控制系统

基于模型的Buck-Boost变换器协同无源控制李红梅;叶帮红【摘要】为了改善Buck-Boost变换器的动态性能和静态性能,基于无源控制实现变换器电感电流期望值的实时观测,再与协同控制相结合得出控制律,提出了协同无源控制的Buck-Boost变换器实现其高性能控制并使之兼具强鲁棒性.为了简化控制器结构,选取协同控制宏变量时未引入积分环节,易于实时实现.最后,采用基于模型设计的开发流程和自动代码生成技术,开发协同无源控制的Buck-Boost变换器样机,通过系统的仿真研究和样机的实验测试,验证该变换器的动态和静态控制性能.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2016(031)002【总页数】6页(P86-91)【关键词】Buck-Boost变换器;协同无源控制;鲁棒性;基于模型设计;自动代码生成【作者】李红梅;叶帮红【作者单位】合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TM46国家自然科学基金（51377041），安徽省教育厅重点项目（KJ2011A217）和国家大学生创新训练项目（201210359015）资助。

Buck-Boost变换器具有结构简单、输入电压范围宽和可灵活实现升压与降压控制等优点，因此在电力电子领域得到了广泛的应用[1]。

Buck-Boost变换器通常采用经典的电流内环和电压外环的双闭环PI控制，但是该系统在某些应用场合，如输入电压或负载变化较大、电路中的电子元器件参数发生改变，经典的双闭环PI控制往往无法获得满意的系统动态和静态控制性能，甚至会出现系统不稳定运行的现象，尚需寻求高性能的非线性控制策略。

对DC-DC变换器，常用的非线性控制策略有滑模控制、无源控制和协同控制等。

文献[2]采用滑模控制，具有较强的鲁棒性，但此种控制不能使开关管工作在固定的频率下，输出电压稳态误差较大，对滤波器的设计要求较高。

本科毕业设计（论文）基于Buck变换器的永磁无刷直流电动机调速系统（张宏军）燕山大学2014年6月本科毕业设计（论文）基于Buck变换器的永磁无刷直流电动机调速系统学院：电气工程学院专业：10级应用电子学生姓名：张宏军学号：100103030135指导教师：李珍国答辩日期：2014年6月26日燕山大学毕业设计（论文）任务书摘要摘要永磁无刷直流电动机由于其具有结构简单、出力大和效率高等特点，已在航天航空、工业过程控制、汽车电子、家用电器等领域得到了广泛的应用。

传统的永磁无刷直流电动机的主电路通常采用全桥拓扑形式，功率器件的开关损耗较大，同时转矩脉动也较为严重。

为此本课题拟在桥式电路前端添加Buck变换器，通过该变换器得到不同转速所需施加电压大小，而桥式电路只以六节拍调制方式实现换相，从而达到减小开关损耗和转矩脉动的目的。

本文对Buck变换器的电感、电容进行了理论计算，建立了基于Buck 变换器的永磁无刷直流电动机调速系统的频域模型。

在此基础上设计了电流环和转速环的PI调节器。

最后在MATLAB环境中，使用M文件对基于Buck变换器的永磁无刷直流电动机调速系统进行了仿真验证，所得仿真结果的正确性证明了本设计的可行性。

关键词无刷直流电动机，Buck，MATLABAbstractAbstractPermanent magnetic brushless DC motor, which has simple structure, high output torque and efficiency, has been widely used in the fields of Aerospace, industrial process control, automotive electronics and household appliances and so on. The main circuit of the traditional BLDCM is usually adopts full bridge topology. The switching loss of power electronic devices is big and torque ripple is also serious. Therefore this study add a Buck converter in front of the bridge circuit and get the corresponding DC link voltages required by different speed by it. The bridge circuit only use six beat modulation to commutate, so as to reduce the switching loss and torque ripple.In this paper, the inductor and capacitor of Buck converter are calculated in theory. The frequency domain model of BLDCM speed control system based on Buck converter has been established. And based on this model, the PI regulator of the current loop and speed loop has been designed.Finally, the BLDCM speed control system based on Buck converter is simulated by M file in the MATLAB environment. The correct simulation results proves the feasibility of the design.Keywords BLDCM, Buck, MATLAB目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)1.1课题背景 (1)1.2无刷直流电机研究现状 (2)1.3论文的主要研究工作 (3)第2章无刷直流电动机的组成、原理及模型分析 (5)2.1无刷直流电动机的组成 (5)2.1.1 电机本体 (5)2.1.2 逆变器 (6)2.1.3 位置检测器 (7)2.1.4 控制器 (8)2.2无刷直流电动机的基本工作原理 (8)2.3无刷直流电动机本体的建模与仿真 (11)2.3.1 无刷直流电动机本体的数学模型 (11)2.3.2 定子绕组的反电动势模型 (12)2.3.3 逆变器二极管续流分析 (13)2.4无刷直流电动机本体仿真 (14)2.5本章小结 (15)第3章基于Buck变换器的无刷直流电动机调速系统系统设计 (16)3.1B UCK变换器的研究 (16)3.2电流闭环的研究 (17)3.2.1 前级带Buck电路的无刷直流电动机主电路建模分析 (17)3.2.2 电流调节器的设计 (20)3.3转速闭环的研究 (23)3.4本章小结 (25)第4章电机控制系统仿真分析 (26)4.1基于B UCK变换器的无刷直流电动机控制系统结构组成 (26)4.2电机参数设定与计算 (27)III4.3电机控制系统M文件仿真程序流程图 (28)4.4电机控制系统仿真波形分析 (29)4.4.1 电机带额定负载启动 (29)4.4.2 电机控制系统给定突变仿真 (34)4.4.3电机控制系统负载突变仿真 (38)4.5本章小结 (41)结论 (42)参考文献 (44)致谢 (46)附录1 (47)附录2 (52)附录3 (62)附录4 (69)第1章绪论第1章绪论1.1 课题背景电机是一种机电能量转换的电磁机械装置。

按变换功能分，dc－dc变换器分为两种：一种是电压－电压变换器，一种是电流－电流变换器。

磁悬浮控制力矩陀螺用高速永磁无刷直流电机的调速要求是直流侧电压随电机转速变化而改变，因此这里采用电压ˉ电压的buck降压变换器。

若需扩展调速范围，则可采用bu ck￣boost或cuk变换器。

buck变换器、buckˉboost变换器和cuk变换器工作中都存在着两种导电模式，即连续导电模式和不连续导电模式。

连续导电模式是指在一个周期中能量传递电感电流或能量传递电容电压总是大于零，即电感电流或电容电压是连续导电的；不连续导电模式是指在一个周期中电感电流或电容电压有一段时间为零，即它们在一个周期中导电是不连续的。

本节在后续的介绍中只讨论电感电流连续导电的情况。

buck变换器是pwm型dc-dc变换器中最简单，也是最基本的一种，其电路拓扑如图1所示。

其工作原理是当vt导通时，二极管vd截止，其等效电路如图2所示。

电源ui通过能量传递电感乙向负载r送入能量，同时使电感l能量增加；当vt截止时，电感释放能量使续流二极管vd导通，其等效电路如图3所示，在此阶段，电感乙把前一阶段增加的能量向负载放出，使负载电压极性不变并且比较平直。

c是滤波电容，它使输出电压的纹波进一步减小。

从原理上说，此电容可去掉，只要电感l足够大，输出电压就可较为平直，但加上不大的电容，既可使纹波显著减小，还可减小电感量。

下面对buck变换器控制系统进行稳态分析，从而求出该变换器的输入输出稳态电压比、电流变比和电感电流纹波等特性。

为分析稳态特性、简化推导公式的过程，作如下几点假定：1）开关管、二极管均是理想元件，也就是指它们导通时电压为零，截止时电流为零，导通与截止的转换是瞬时完成的。

2）电感、电容均为理想的，即电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，而电容的等效串联电阻为零。

3）输出电压申的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。

1．连续导电模式在连续导电模式下，斩波器电感电流连续，电路分为两个状态，电路波形如图4所示。

设计与研究56《新型工业化》开放式获取期刊：本文引用格式：张旭.无刷直流电动机调压系统BUCK 直流变换仿真[J]. 新型工业化，2016，6（7）：56-60.DOI：10.19335/ki.2095-6649.2016.07.010无刷直流电动机调压系统BUCK 直流变换仿真张旭（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）摘要：为了提高无刷直流电动机调压系统电压转换效率、降低功率消耗，提出基于BUCK 变换的斩波调压技术。

在阐述BUCK 模式下无刷直流电动机电路结构、数学模型基础上，对直流变换器和BUCK 直流变换技术进行分析。

利用MATLAB 软件SIMULINK 模块对BUCK 直流变换器进行建模，对20kHz 工作频率下BUCK 直流变换进行仿真，得到开关管门极触发脉冲、电感电压、电感电流、输出电压、开关管电流和二极管电流仿真曲线。

仿真结果与理论分析波形基本一致，表明BUCK 直流变换器模型的合理性。

关键词：电动机；MATLAB；直流变换；BUCKSimulation on BUCK DC Transformer of Brushless DC Motor Voltage Regulation SystemZHANG Xu(CCTEG Shenyang Research Institute, Fushun Liaoning 113122, China)Abstract: In order to improve the brushless DC motor voltage regulation system voltage conversion efficiency and reduce power consumption, based on BUCK transformer chopper voltage regulation technology was put forward. In this paper elaborat-ed the circuit structure and mathematical model of brushless DC motor with BUCK mode, analyzed technology of DC converter and BUCK dc transform. Take advantage of MATLAB software SIMULINK module modeling BUCK DC converter, simula-tion for BUCK DC transform under the 20kHz working frequency, got the switch tube gate trigger pulse, inductive voltage and inductance current, output voltage, switching tube and diode current simulation curve. The simulation results and theoretical analysis of waveform basically the same, the rationality was proved of BUCK DC converter model.Keywords: Motor; MATLAB; DC transformer; BUCK0　引言工业技术的不断发展，在很大程度上得益于电机理论及其控制技术的不断发展。

基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速控制策略张小平;尹翔;刘士亚【摘要】进行了将采用双闭环控制的Buck-Boost矩阵变换器用于异步电机调速系统控制的研究,设计了基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速控制策略.该策略根据异步电机的给定转速,基于矢量控制原理获得异步电机对应的输入电压,并以该电压作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输出电压,再通过对Buck-Boost矩阵变换器采用双闭环控制策略使其实际输出电压与其参考输出电压保持一致,从而实现异步电机的实际转速对给定转速的准确跟踪,达到准确控制异步电机转速的目的.该控制策略的控制效果通过仿真得到了验证.仿真分析结果表明,异步电机采用基于Buck-Boost矩阵变换器的调速控制策略可取得良好的动态和稳态性能以及四象限运行特性,因而具有较好的应用价值.【期刊名称】《高技术通讯》【年(卷),期】2014(024)008【总页数】5页(P842-846)【关键词】Buck-Boost矩阵变换器(BBMC);异步电机;转速调节;控制策略;仿真【作者】张小平;尹翔;刘士亚【作者单位】湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心湘潭 411201;湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心湘潭 411201;湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心湘潭 411201【正文语种】中文矩阵变换器(matrix converter，MC)是一种具有简单拓扑结构的新型电力变换器［1，2］，它有一系列理想的电气特性，但存在电压传输比低等缺陷，由此限制了其推广应用［3，4］。

研究显示，通过改变其控制策略可有效提高其电压传输比［5－7］，但同时也带来了输出谐波过大等不良后果。

为此，文献［8］从改变矩阵变换器主电路拓扑结构出发进行了研究，提出了一种新型的升降压式(Buck－Boost)矩阵变换器(Buck－Boost MC，BBMC)，其主电路拓扑结构有效解决了传统矩阵变换器电压传输比低的难题，能实现输出电压和频率的任意调节，同时还具有输入电流正弦、输入功率因数可调等电气特性。

基于Buck-Boost的双向DCDC变换器原理分
析
基于Buck-Boost的非隔离型双向半桥DCDC变换器结构上比起隔离型的双向DCDC变换器结构简单，没有变压器，功率开关器件数目相对较少，操控方式较容易，通过全控型开关器件的反并联二极管最终实现能量双向流动，进而可以节省构建变换器的材料，并且转换效率高，因此被广泛应用于无需电气隔离的电池储能系统，光储、风储微电网系统等。

图一主电路结构
当变换器处于Buck模式时，开关管S1和开关管S2的反并联二极管构成Buck变换器，整个系统能量从左往右传递，此时蓄电池处于充电状态；当变换器处于Boost模式时，开关管S2和开关管S1的反并联二极管构成Boost变换器，整个系统能量从右往左流动，此时蓄电池处于放电状态。

结合以上的分析，我们可以知道：对基于Buck-Boost的双向DCDC变换器在进行工作原理分析，数学模型建立及控制系统设计时，可完全将其分为两个我们熟知的独立的Buck和Boost变换器去进行，进而可简化整个系统的控制难度。

此外，之前讲过的双重Buck和双重Boost变换器对此同样适用，将其结合起来可形成双重Buck-Boost双向DC/DC变换器。

这样一方面可以减小电感感量，进而减小电感体积；另一方面可减小电感电流纹波，进而可减小蓄电池充放电电流的纹波，延长蓄电池使用寿命。

以上讲了这么多优点，缺点也不是没有，总结下来最重要的一点就是：由于是非隔离结构没有变压器，进而受制于Buck和Boost变换器本身的升降压范围，无法实现输入输出大
范围匹配。

编辑：hfy
-全文完-。

四开关buck-boost变换器的控制电路及控制方法与流程1. 引言1.1 概述本文旨在探究四开关buck-boost变换器的控制电路及其相应的控制方法与流程。

随着能源需求的增加以及对能源转换效率的要求不断提高，四开关buck-boost变换器作为一种常用的电力转换装置，在工业和研究领域中得到广泛应用。

通过调整输入和输出电压，该变换器可以实现有效而精确的能量转移。

1.2 文章结构本文主要分为五个部分。

引言部分将介绍文章的目的、概述以及文章结构。

之后，第二部分将详细介绍四开关buck-boost变换器的原理，并讨论设计该变换器控制电路时需要考虑的要点。

接着，第三部分将说明控制电路的具体步骤与流程，包括输入电压检测与控制、输出电压调节与控制以及开关管导通和断开策略。

第四部分将描述实验装置并介绍控制电路实验过程，并对实验结果进行详细分析和讨论。

最后，在第五部分中我们将总结文章，并展望未来进一步研究这一领域所可能取得的成果。

1.3 目的本文的目的是为了深入研究四开关buck-boost变换器，探讨其控制电路的设计要点与方法，并提供一个完整的控制流程。

通过实验验证和结果分析，我们希望能够验证本文提出的控制方法在实际应用中的有效性，并为今后相似研究提供参考和指导。

同时，本文也对未来这一领域可进行的进一步研究做出展望，以推动相关技术和理论的发展。

以上是“1. 引言”部分内容，请核对。

2. 四开关buck-boost变换器的控制电路与方法：2.1 原理介绍：四开关buck-boost变换器是一种常用的DC-DC变换器拓扑结构，它具有较高的转换效率和宽范围的输入输出电压能力。

该变换器能够实现输入电压向输出电压的降压和升压功能，并且能够在负载或输入电压波动时保持相对稳定的输出。

2.2 控制电路设计要点：在设计四开关buck-boost变换器的控制电路时，需要考虑以下几个要点：首先是输入输出电压范围：根据应用需求确定所需的输入和输出电压范围，以此来选择合适的元件参数。

buckboost电路引言buckboost电路是一种常见的直流-直流（DC-DC）转换器，可以将一个电压转换成另一个更高或更低的电压。

它是一种非绝缘式电压转换器，主要用于电子设备中。

本文将介绍buckboost电路的基本原理、工作方式和应用领域。

基本原理buckboost电路基于开关电源原理，通过对输入电压进行开关控制，来实现输出电压的调整。

它可以根据具体需求将输入电压降低或提高。

buckboost电路主要由以下几个基本元件组成：1.输入电源：输入电压需要在一定范围内，通常是直流电源。

2.电感：用于储存能量。

3.开关器件：用于控制能量的流动，可以是MOSFET、BJT等。

4.输出电容：用于滤波和稳定输出电压。

5.控制电路：用于控制开关器件的开关频率和占空比。

工作方式buckboost电路的工作过程可分为两个阶段：导通（on）和截止（off）。

在导通状态下，开关器件接通，电感储存能量。

此时，电感电流增大，同时输出电压降低。

而在截止状态下，开关器件断开，电感释放能量并给输出电压充电。

此时，电感电流减小，同时输出电压增加。

通过不断切换导通和截止状态，buckboost电路能够在输入和输出之间实现能量的转换和调整。

应用领域buckboost电路在各种电子设备中得到广泛应用，主要有以下几个方面：1.电池管理：在移动设备、电动车辆等电池供电场景中，buckboost电路可以将电池输出的电压转换成适合各个部件的电压级别，提高能量利用效率。

2.LED照明：buckboost电路可以将输入电压调整到LED需要的稳定电压，并对LED进行恰当的驱动，实现高效能耗的照明系统。

3.太阳能和风能系统：buckboost电路在可再生能源领域中起到重要作用，可以将太阳能电池板或风力涡轮机产生的电能转换为更高或更低的电压，以便储存或供电给其他设备。

4.电动汽车充电：buckboost电路可用于电动汽车充电装置中，将电网提供的交流电转换为电动汽车电池需要的直流电。