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论文-Buck变换器双闭环控制仿真研究.doc

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毕业设计(论文)说明书题目Buck 变换器双闭环控制仿真研究系 名 信息工程系 专 业 自动化 学 号 6011XXXXXXX 学生姓名 XXX 指导教师 XXX 2015 年 6 月 5 日毕业设计(论文)任务书题目Buck 变换器双闭环控制仿真研究系 名 信息工程系 专 业 自动化 学 号 6011XXXXXX 学生姓名 XXX 指导教师 XXX 职 称 副教授 2014 年 12 月 15 日一、原始依据(包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。)便携式电子产品的广泛应用,推动了开关电源技术的迅速发展。因为开关电源具有体积小、重量轻以及功率密度和输出效率高等诸多优点,已经逐渐取代了传统的线性电源,随之成为电源芯片中的主流产品。随着开关电源技术应用领域的扩大,对开关电源的要求也日益提高,高效率、高可靠性以及高功率密度成为趋势,这就对开关电源芯片设计提出了新的挑战。其中对于非隔离的DC/DC 开关电源,按照电路功能划分,有降压式( BUCK)、升压式(BOOST),还有升降压式(BUCK-BOOST )等。其中品种最多,发展最快的当属降压式(BUCK)。我国目前能源紧缺,而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业,因此我们在设计 DC/DC 开关电源产品时,转换效率必须作为一个重要的指标加以考虑。尤其是随着采用 3.6 V 锂离子电池作为电源的消费类电子产品市场不断扩大,且功能和性能变得更多和更高,对适用于这类产品的 BUCK 变换器的性能提出了更高的要求。因此研究 BUCK 变换器的控制具有重要的理论和现实意义。二、参考文献[1] 丘涛文. 开关电源的发展及技术趋势[J]. 电力标准化与技术经济, 2008,17658-60.[2] 张乃国. 一种脉冲频率调制型稳压电路的研究[J]. 电源世界, 2007,10(4)21-23.[3] 刘树林,输出本质安全型 Buck-Boost DC-DC 变换器的分析与设计,中国电机工程学报,2008,283 60-65.[4] 马丽梅,Buck-boost DC-DC 变换器的控制,河北工业大学学报,2008,374 101-105.[5] 刘树林,Buck-Boost 变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析,电子学报,2007, 205 838-843.[6] 彭力,新型大功率升降压型 DC-DC 变换器控制研究,船电技术,1999,31 26-28.[7] 钟久明 ,Buck-Boost 变换器的本质安全特性分析及优化设计 西安科技大学 硕士学位论文 2006.[8] 高飞,蒋赢,赵小妹等,一种新型 Buck-Boost 变换器,电力电子技术 2010 22450-52.[9] Xu Jianping,Yu Juebang.Equivalent circuit model of switches for SPICE simulation.IEEElectronics, 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] 王海鹏,王立志,王卓. 基于 1394 的数据传输电路 [J]. 现代电子技术,2009,322152-54.[12] 王久和. 电压型 PWM 整流器的非线性控制 [M]. 第 1 版,北京 机械工业出版社, 2008.[13] 师娅,唐威. 一种电流型 PWM 控制芯片的设计[J]. 微电子学与计算机,2007,248145-148.三、设计(研究)内容和要求(包括设计或研究内容、主要指标与技术参数,并根据课题性质对学生提出具体要求。)对直流 Buck 变换器进行数学建模,利用 Simulink 研究双闭环 PID 控制算法,实现变换器电压的鲁棒输出。具体内容要求如下1.熟悉 Buck 变换器双闭环控制的工作原理及电路设计2.掌握 MATLAB/Simulink 软件的使用3.掌握对 Buck 变换器双闭环控制的数学建模4.验证双闭环控制的工作原理,采用 Simulink 对电路做仿真分析5.完成毕业设计论文。指导教师(签字)年 月 日审题小组组长(签字)年 月 日天津大学仁爱学院本科生毕业设计(论文)开题报告课题名称 Buck 变换器双闭环控制仿真研究系 名 信息工程系 专业名称 自动化学生姓名 XXX 指导教师 XXX一.课题的来源与意义随着电子技术的快速发展,电子设备的种类越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系也日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源,它们对电源的要求也越来越高。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、可靠性高等优点。但由于调整管静态损耗大,需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在 50 Hz 的工频上,所以其重量较大。又因为调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间需承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有 45左右 [1]。受这些缺点的限制,线性稳压电源很难满足现代电子设备发展的要求。20 世纪 50 年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,开发了开关电源。经过近半个世纪的发展,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代线性稳压电源并得到了广泛应用 [2],各种电池供电的电子产品如照相机、摄像机、录像机、个人数字助理、手机、手提电脑都需要 DC/DC 变换器等开关电源芯片 [3]。开关电源技术于 20 世纪 80 年代引入我国,随着计算机、通讯、汽车等行业的迅速发展,我国开关电源市场不断增长,开关电源控制器芯片的研究已成为国内功率电子学领域中颇受关注的热点 [4]。我国目前能源紧缺,而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业,因此我们在设计 DC/DC 开关电源产品时,转换效率必须作为一个重要的指标加以考虑。尤其是随着采用 3.6 V 锂离子电池作为电源的消费类电子产品市场不断扩大,且功能和性能变得更多和更高,对适用于这类产品的 BUCK 变换器的性能提出了更高的要求。因此研究 BUCK 变换器的性能具有重要的理论和现实意义 [5][6]。2.国内外发展状况DC/DC 变换器是一种强非线性系统,由于电气参数的不确定性以及负载的多变性,使得 DC/DC 变换器的控制变得较为复杂。传统的控制方法都是基于线性系统理论,很难实现较好的动态性能。于是,进一步的研究在于对系统建立精确的数学模型和采用先进的控制算法。随着现代控制理论的发展,出现了许多DC-DC 变换器新的控制方法以提高系统性能。例如1 双线性理论;2 鲁棒控制;3 滑模变结构控制;4 自适应控制;5 智能控制。这些新控制方法的提出,使 DC/DC 变换器的稳态误差趋于零,动态性能获得很大改善,而且对参数的不确定性和负载的多变性也有很好的鲁棒性。1、双线性理论此系统为非线性系统,能够取得较好的控制效果。文献[7]应用此模型对Boost 电路进行闭环控制,不仅保证了充足的稳定裕量,而且实现了较好的瞬态响应。此方法一般适用于两个状态变量以上的 DC/DC 变换器拓扑。但这种控制方案的缺点是忽略了输入电压扰动,若输入电压扰动不为零,将会影响系统的性能甚至导致系统不稳定 [7]。2、鲁棒控制鲁棒控制是处理外加扰动和不确定性模型的有力工具,基于 DC/ DC 变换器的线性化小信号建模。文献[8]中提出了两个自由度控制的设计思想,来实现 DC/ DC 变换器的鲁棒控制。它能够对负载和输入电压的变化保证充足的鲁棒性。虽然鲁棒控制解决了输入电压变化的问题,但其线性化小信号建模精确度不高,而且控制器结构不可变,下面介绍的滑模控制和自适应控制,这两种控制能够实现更理想的控制效果 [8]。3、滑模变结构控制滑模变结构理论由前苏联学者欧曼尔扬诺夫 S.V. Emelyanov、尤特金 V. I.Utkin于 20 世纪 50 年代提出并发展至今。滑模变结构控制与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,它使得系统在滑动模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的鲁棒性,而且可以获得较为满意的动态性能。因此,它特别适用于 DC/DC 变换器这样的非线性系统和离散系统。4、自适应控制20 世纪 50 年代初提出的自适应控制方法是根据响应系统与目标系统对应变量的偏差和控制参数的偏差来调整响应系统的参数变化,最终使响应系统与目标系统同步。文献[9]、[10]分别提出了 PI 自适应串级控制和自适应 PID 串级控制,并很好地应用于 DC/ DC 升压变换器中。此外,逆向自适应控制,双环自适应控制和模型参考自适应控制等均已成功用于 DC/ DC 变换器。这些控制方法的优点是控制器结构灵活,能够实现精确控制,并对参数变化具有很好的鲁棒性。但由于其设计需要在线估计或辨识参数,导致实现困难,而且存在实时性问题。自适应控制与其它控制方法以及智能控制相结合可以避免这些问题并得到更好的控制效果 [9][10]。5、智能控制智能控制是现代控制理论的发展,包括模糊控制、神经网络控制等先进控制策略。这些方法不需要建立精确的数学模型,对系统参数变化具有很好的鲁棒性,因此用于 DC/DC 变换器的控制中,可以简化非常复杂的建模问题而更适于实际应用。 三.研究目标对直流 Buck 变换器进行数学建模,利用 Simulink 研究双闭环 PID 控制算法,实现变换器电压的鲁棒输出。四.研究内容1.熟悉 Buck 变换器双闭环控制的工作原理及电路设计。2.掌握对 Buck 变换器双闭环控制的数学建模。3.验证双闭环控制的工作原理,采用 Simulink 对电路做仿真分析。五.研究方法及手段1.通过阅读相关书籍文献,熟悉 Buck 变换器双闭环控制 的工作原理及电路设计,并进行数学建模。2.设计 Buck 电路器双闭环控制的闭环参数与不同补偿方法。3.对 Buck 电路闭环仿真,并根据要求的功能和性能指标进行误差分析。4.查阅 Buck 变换器双闭环控制设计实例,总结经验。课题系统框架图六.进度安排2014.12.72015.2.28 了解课题,查阅相关文献资料,完成开题报告; 2015.3.12015.3.15 查阅关于 BUCK 电路的相关书籍,熟悉其原理及其应用;2015.3.162015.3.31 查找相关外文资料并翻译外文资料,完成中期报告;2015.4.12015.4.15 熟悉 MATLAB 仿真软件,进行仿真分析,调整电路结构,元件和仿真参数;2015.4.162015.5.1 对仿真电路和数学模型进行测试,误差分析,整理资料;2015.5.22015.6.1 按要求认真撰写毕业设计报告,准备毕业设计答辩。7.实验方案的可行性分析Buck 变换器应用广泛,在实际应用上有着丰富的设计经验;并且此实验只需要用 MATLAB 软件仿真。因此无论从理论的成熟角度来讲,还是从实验条件的具备方面来说,这个课题都具备良好的可操作性,此方案可行。八.参考文献[1] 何宏,魏克新,王红军,等. 开关电源电磁兼容性[M]. 第 1 版,北京 国防工业出版社,200815-21.[2] 丘涛文. 开关电源的发展及技术趋势[J]. 电力标准化与技术经济, 2008,17658-60.[3] T. Regan. Low dropout linear regulators improve automotive and battery-powered systems[M]. Nurnberg Power conversion and Intelligent Motion, 1990. 65-69.[4] 闫永亮. 浅论开关电源技术的发展趋势[J]. 中国科技信息, 2009,21(16)137-138.[5] 张占松,蔡宜三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京 电子工业出版社,200656-61.[6] 刘树林,输出本质安全型 Buck-Boost DC-DC 变换器的分析与设计,中国电机工程学报, Simulink 仿真Buck 变换器主电路设计 双闭环控制电流内环设计电压外环设计2008,28(3) 60-65.[7] Chen F,CaiXS. Design of Feedback Control Laws for Switching Regulators Based on the BilinearLarge Signal Model[J] . IEEE Transactions on Power Electronics. 1990,236-240.[8] 苏彩虹,陆益民,朱学锋. DC/DC 变换器的变结构控制策略[J] . 武汉科技大学学报,2003,6169-172.[9] 吴忠,丑武胜. DC/DC 升压变换器 PI 自适应串级控制[J]. 仪器仪表学报. 2003, 8 345- 347.[10] 吴忠,史永丽. DC/DC 升压变换器自适应 PID 串级控制系统仿真研究[J] . 系统仿真学报. 2004, 5 1013-1016.
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