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Boost单电压闭环控制仿真综合作业论文.docx

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.49M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    摘 要：本文介绍了基于PI控制的DC-DC升压Boost单电压环功率变换器，首先通过状态平均法对系
    Keywords：Boost Switch
    前言
    1 MATLAB软件概述
    1.1 MATLAB介绍
    1.2 SIMULINK仿真基础
    2 Boost电路
    2.1工作原理
    2.1.1充电过程
    2.1.2放电过程
    2.1.3能量分析
    3 模型的建立
    3.1开关变换器建模分析
    3.1.1概述
    3.1.2小信号模型分析前提
    3.2状态空间平均法
    3.2.1 状态空间简述
    3.3开关状态和状态方程
    3.4状态空间平均法建模步骤
    3.5在DCM下的状态空间平均法
    4 模型仿真.
    4.1开环Boost电路仿真
    4.2闭环Boost电路仿真
    4.2.1主传递函数计算
    4.2.2 Boost闭环仿真
    5 小结
    参考文献
    附录
    团队编号: 4-2 电气与新能源学院《电子系统综合作业》 说明书(论文) 题目：DC-DC 升压变换单电压环控制器设计 团队成员 A 专 业 备注：A. 电气工程及其自动化（含各方向）；B. 自动化；C. 智能电网信息工程 请从以上选项中选择专业，填入 A 或 B 或 C 即可。 A A A 指导教师： 评阅教师： 完成日期： 2019 年 6 月 9 日
    目录 摘要 前言 ................................................. 1 1 MATLAB 软件概述 .....................................2 1.1 MATLAB 介绍 .............................................2 1.2 SIMULINK 仿真基础 .......................................2 2 Boost 电路 ..........................................3 2.1 工作原理 ................................................3 2.1.1 充电过程 ..........................................3 2.1.2 放电过程 ..........................................4 2.1.3 能量分析 ..........................................4 3 模型的建立 ......................................... 5 3.1 开关变换器建模分析 ......................................5 3.1.1 概述 ..............................................5 3.1.2 小信号模型分析前提 ................................5 3.2 状态空间平均法 ..........................................6 3.2.1 状态空间简述 ..................................... 6 3.3 开关状态和状态方程 ......................................6 3.4 状态空间平均法建模步骤 ..................................8 3.5 在 DCM 下的状态空间平均法 ...............................11 4 模型仿真. ......................................... 13 4.1 开环 Boost 电路仿真 .....................................13 4.2 闭环 Boost 电路仿真 .....................................14 4.2.1 主传递函数计算 ...................................14 4.2.2 Boost 闭环仿真 ...................................18 5 小结 .............................................. 22 参考文献 ............................................ 23 附录 ................................................ 24
    DC-DC 升压变换单电压环控制器设计 团队成员： 指导教师： 摘 要：本文介绍了基于 PI 控制的 DC-DC 升压 Boost 单电压环功率变换器，首先通 过状态平均法对系统进行建模，建立线性 RLC 元件、独立电源和周期性开关的原始网络， 然后以电容电压和电感电流为状态变量，结合“ON”“OFF”两种状态，最后得到开关变换器 一个周期内的平均状态，这样，一个二阶非线性，时变开关电路就等效为一个时不变的连 续电路，通过网络状态方程得到小信号传递函数，并进行频域特性的分析。最后通过 simulink 仿真实现了开环闭环控制仿真，对比发现闭环控制时系统有较好的响应速度与稳定性，稳 定精度也在理想范围内，验证了模型的正确性。 关键词：Boost 开关变换器；状态空间平均法法；PI 控制；simulink Abstract: This paper introduces a DC-DC boost single voltage loop power converter based on PI control. Firstly, the system is modeled by state averaging method, and the original RLC component, the independent power supply and the original network of the periodic switch are established, and then the capacitor is used. The voltage and inductor currents are state variables, combined with the "ON" and "OFF" states, and finally the average state of the switching converter in one cycle, so that a second-order nonlinear, time-varying switching circuit is equivalent to one time. The continuous circuit is changed, the small signal transfer function is obtained through the network state equation, and the frequency domain characteristics are analyzed. Finally, the open-loop closed-loop control simulation is realized by Simulink simulation. It is found that the closed-loop control system has better response speed and stability, and the stability accuracy is also within the ideal range, which verifies the correctness of the model. Keywords：Boost Switching converter；State-space Averaging Method；PI control； simulink
    共 25页 第 1页 前言 1957 年可控硅(晶闸管)的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要 的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。 20 世纪 60 年代初已开始使用电力电子这个名词，进入 70 年代晶闸管开始派生各种系 列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子 器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶 体管(IGBT)和电力场效应晶体管（Power-IGBT）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二 代电力电子器件。80 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代 电力电子器件异军突起，而进入 90 年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展， 这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 电力电子器件专指电力半导体器件，在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、 和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系 统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路的中电力电子器件的导通与关断， 来完成整个系统的功能。 目前，开关电源向高频率，高效率，集成化方向发展，这也是是 DC/DC 转换器的控制 系统委员会提出更高的对稳态和瞬态性能的要求。急需优化设计其控制电压环，提高其运 行效率。 直流-直流变换器（DC/DC）的应用 直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化 设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大 小来划分，DC/DC 可分为 750W 以上、750W～1W 和 1W 以下 3 大类。进入 20 世纪 90 年代， DC/DC 变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中 6W～25WDC/DC 变换器的增长率最 高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系 统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所 以 251W～750W 的 DC/DC 变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验 设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC 变换器在远程和数字 通讯领域有着广阔的应用前景。 DC/DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无 轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响 应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约 20％～30％的电 能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流 噪声的作用。 DC/DC 变换器现已商品化,模块采用高频 PWM 技术,开关频率在 500KHZ 左右甚至还要更 高,功率密度为 0.31W/cm³～1.22W/cm³。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小 型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。已有一些公司研制生产了采用 零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
    共 25页 第 2页 1 MATLAB 软件概述 1.1 MATLAB 介绍 Matlab 是美国 MathWorks 公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，用于概念设 计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境，具有完备的图形处理功能，实现计算 结果和编程的可视化的优点。 MATLAB 将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个 强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业的符号计算、文字 处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发 平台。 MATLAB 已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国 家的高校包括国内高校，MATLAB 已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处 理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成为攻读学位的本科、硕 士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB 被广泛的应用 于研究和解决各种具体问题。 1.2 SIMULINK 仿真基础 SIMULINK 是 MATLAB 软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与 MATLAB 语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入，其结 果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。 1．所谓模型化图形输入是指 SIMULINK 提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用 户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通 过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl 文件 进行存取），进而进行仿真与分析。 2．Simulink 可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分， 每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。模型创建完成后，可以启动系 统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、 寻求平衡点等。仿真结果可以以图形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式 保存起来，并输入到 MATLAB 中以完成进一步的分析。
    2 Boost 电路 共 25页 第 3页 电路结构如图 1 所示为典型的升压 Boost 电路，忽略电感、电容的寄生电路，开关管、 图 1 Boost 电路 二极管均假定为理想器件。 2.1 工作原理 Boost 升压电路电感的作用：是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当 MOSFET 开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当 MOSFET 断开后电感将储存的磁场 能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平 滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁场能转换为电能的叠 加后形成的，即把一个周期中积累的能量在他一个周期内很短的时间内释放，所以输出电 压高于输入电压，既升压过程的完成。 接下来分两部分对 Boost 电路作具体介绍即充电过程和放电过程： 2.1.1 充电过程 图 2 T 导通，D 截止 开关管导通，电感进入充电过程。开关管闭合后，负载及电容被短路，这时电路图中 开关处可以用导线代替，二极管处等效开路，等效电路如图二。电源V 向电感 L 充电，充 电电流基本上维持不变，同时电容C 上的电压向负载 R 供电，因电容C 很大，基本上维持输 出电压不变。
    2.1.2 放电过程 共 25页 第 4页 开关管关断，电感进入放电过程。MOSFET 所在线路没有电流经过，二极管单向导通， 相当于导线，这是当开关管断开时的等效电路。当开关管断开时，电源V 和电感 L 共同向 电容C 充电并向负载 R 提供能量。 图 3 T 阻断，D 导通 2.1.3 能量分析 设一个开关周期为T ，MOSFET 导通时间为 ont ，关断时间为 offt ，电源V 的电压为 E ， 负载得到的电压为 oU 。整个过程中因电感电流不能突变，电感电流近似 1I 保持不变。在充 电过程中，MOSFET 处于导通的时间为 ont ，此阶段电感 L 积蓄的能量为 1 onEI t 。放电过程 中，MOSFET 处于关断的时间为 offt ，在此过程中电感 L 释放的能量为 ) 。当电 路工作与稳态时，一个周期内电感 L 储存的能量与释放的能量相等。即有下式 ( U E I t 1  off o EI t 1 on  ( U E I t 1  ) o   off 化简有 t on U o  t off E   t off T t off E 式中， T t off ，输出电压高于电源电压。 1 （1） （2）
    共 25页 第 5页 3 模型的建立 3.1 开关变换器建模分析 3.1.1 概述 开关型变换器正常运行时，是周期性稳态运行过程；在每一个开关周期，电路的运行 状态和性能特征相同。但当开关型变换器受到外扰动作用时，运行工作点将偏移稳态值， 从原稳定状态，经过一段过渡时间，进入另一个新的稳态。这个过渡过程称为瞬态过程。 在外扰动作用下，变换器输出电压发生变化。为了稳定输出电压，需要通过某种控制手段， 使开关变换器瞬态输出电压恢复到给定值。开关型变换器瞬态分析的核心问题是建立一个 恰当的数学模型。按照所描述的开关变换器运行过程，模型可以分为 3 类：稳态模型，小 信号模型和大信号模型。 （1） 稳态模型 描述开关型变换器稳定运行时的模型称为稳态模型。用稳态模型分析开关型变换器 的稳定性能时，称为稳态分析，又称直流静态工作点分析，它是瞬态分析的基础。 （2） 大信号模型 大信号模型是一个非线性模型，描述包括开机过程等大信号扰动下的开关型变换器 的瞬态性能。 （3） 小信号模型 根据非线性模型设计开关型变换器是十分困难的。因此，一般要进行线性化处理， 处理方法是将非线性模型中各非线性项，在额定工作点用泰勒级数展开，然后舍弃二 阶以上项，只保留一阶项，就得到近似线性模型。是瞬态性能与控制变量之间呈线性 关系，用以近似描述在小信号扰动作用下的开关型变换器瞬态性能。由于扰动信号小， 偏离额定工作点的偏移量也很小，所以称之为小信号模型。 3.1.2 小信号模型分析前提 小信号模型建模方法可以分为以下四种：基本建模法，状态空间平均法，开关元件平 均模型法，开关网络平均模型法。建模的思想分三步：求平均变量，分离扰动，线性化。 其中要有以下三个假设。 (1)、低频假设：交流小信号的频率 gf 应远小于开关频率 sf ，即 g f  (2)、小纹波假设：变换器的转折频率 0f 应远小于开关频率 0f ，即 0 f (3)、小信号假设：要求电路中各变量的交流分量的幅值必须远远小于相应的直流分量。 在以上前提下，我们可以近似认为状态变量的平均值等于瞬时值，从而不会引起较大 的误差。用平均值代替瞬时值，还可以消除开关纹波的影响，又可以保留有用的直流分量 与低频交流分量的信息。 f s f s
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