畢業(yè)設計--基于buck結(jié)構(gòu)的dcdc轉(zhuǎn)換器建模與仿真

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p>　　1.1電力電子技術(shù)的概述3</p><p>　　

2、1.2開關(guān)電源的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.3 Buck斬波電路的研究意義5</p><p>　　1.4 論文的主要研究內(nèi)容6</p><p>　　2 Buck斬波電路的原理7</p><p>　　2.1 Buck變換器的連續(xù)導電模式8</p><p>　　2.2 Buck變換器電感電流不連

3、續(xù)的導電模式10</p><p>　　2.3 電感電流連續(xù)的臨界條件11</p><p>　　2.4 紋波電壓ΔUO及電容計算12</p><p>　　2.5參數(shù)的計算12</p><p>　　3 Buck斬波電路的建模14</p><p>　　3.1開關(guān)電路的建模14</p><p&g

4、t;　　3.1.1理想開關(guān)模型14</p><p>　　3.1.2狀態(tài)空間平均模型15</p><p>　　3.1.3小信號模型17</p><p>　　3.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)18</p><p>　　3.2.1降壓斬波電路的傳遞函數(shù)18</p><p>　　3.2.2 PWM比較器的比較函數(shù)20</p

5、><p>　　3.2.3調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)21</p><p>　　4 控制電路的設計22</p><p>　　4.1電壓模式控制電路的設計22</p><p>　　4.1.1電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式22</p><p>　　4.1.2電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)23</p><p>　　4. 2 控制電路

6、結(jié)構(gòu)24</p><p>　　5 Buck斬波電路的控制仿真研究25</p><p>　　5.1 Matlab簡介25</p><p>　　5.2 Buck斬波電路主電路的仿真25</p><p>　　5.3 Buck斬波電路的PID控制算法的仿真27</p><p>　　6全文總結(jié)及展望30</p&

7、gt;<p><b>　　參考文獻31</b></p><p>　　附錄1：主電路仿真模型32</p><p>　　附錄2：主電路仿真波形圖33</p><p>　　附錄3：PID仿真圖34</p><p><b>　　致　謝35</b></p><p&g

8、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電子產(chǎn)品與人們工作和生活的關(guān)系日益密切，便攜式和待機時間長的電子產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，它們對電源的要求也越來越高。DC-DC開關(guān)電源芯片是一種正在快速發(fā)展的功率集成電路，具有集度高，綜合性能好等特點，具有很好的市場前景和研究價值。</p><p>　　論文在研究開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和前景的基礎上，設計一種Bu

9、ck型DC-DC開關(guān)電源的設計。首先對主電路的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成進行了研究和分析，包括工作過程中各個元器件的工作狀態(tài)和工作特點。在完成主電路部分后對主電路建立理想模型、狀態(tài)空間平均模型和小信號模型，得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。采用電壓模式控制方式，PID控制算法來進行控制，通過臨界比例度法整定PID參數(shù)。最后通過Matlab對系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果達到設計指標。</p><p>　　關(guān)鍵詞：Buck型開關(guān)電源；小信號模型

10、；電壓模式控制；PID控制算法</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As the electronic products and people living and working relationship is cl-osing，Portable and long standby time electronic products

11、 get more and morepeople's favour，the requirements of power are expanding. DC - DC switch p-ower supply chip is a rapid development power integrated circuit，comprehensi-ve performance is well, which with good marke

12、t prospect and the research val-ue.</p><p>　　Based on research of switch power technology development status and pros-pects,the text Presents a Buck type DC - DC switch power design. Firstly I analysisthe wo

13、rking principle of the main circuit structure and system, Including </p><p>　　the working process of various components working condition and the work c-haracteristics. In fulfilling the circuit of the estab

14、lishment of main circuit after ideal model, the state space average model and small signal model, then，get </p><p>　　the transfer function of the system. Adopt voltage mode control mode and PIDcontrol algori

15、thm to control,use the critical ratio degree to set PID parameters. Finally through Matlab to simulate the system, and simulation results achieved the design index.</p><p>　　Key word: Buck switch power suppl

16、y；small signal model；voltage mode control；PID control algorithm</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1電力電子技術(shù)的概述</p><p>　　電力電子技術(shù)就是應用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支[1]。通常所說的

17、的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制技術(shù)。目前所用的電力電子器件均由半導體制成，故也稱電力半導體器件[1]。電力電子技術(shù)所變換的“電力”，功率可達到數(shù)百照瓦甚至吉瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換，這是兩者的本質(zhì)不同。</p><p>　　通常所用的電力有直流和交流兩種。從公用電網(wǎng)得到的電力是

18、交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足要求，需要進行電力變換。電力變換通常分為四大類：即交流變直流（AC-DC）、直流變交流（DC-AC）、直流變直流（DC-DC）、交流變交流（AC-AC）[1]。</p><p>　　通常把電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個分支。變流技術(shù)也稱為電力電子器件的應用技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對這些電路進行控

19、制技術(shù)，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術(shù)[5]。變流不只指交直流之間的變換，也包括上述的直流變直流，交流變交流的變換。</p><p>　　如果沒有晶閘管、電力晶體管、IGBT等電力電子器件，也就沒有電力電子技術(shù)，而電力電子技術(shù)主要用于電力變換。因此可以認為，電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎，而變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。電力電子器件的制造技術(shù)的理論基礎是半

20、導體物理，而變流技術(shù)的理論基礎是電路理論。</p><p>　　1.2開關(guān)電源的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　我們常說的電源管理芯片實際上是指具有自動控制環(huán)路和保護電路DC-DC變換芯片，是開關(guān)電源的核心控制芯片。電源管理芯片在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關(guān)電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力[3]。</p>&

21、lt;p>　　開關(guān)電源的發(fā)展已有30多年歷史，早期的產(chǎn)品開關(guān)頻率很低，成本昂貴，僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域[14]。20世紀60年代出現(xiàn)過晶閘管相位控制式開關(guān)電源，70年代由分立元件制成的各種開關(guān)電源，均因效率不夠高、開關(guān)頻率低、電路復雜、調(diào)試困難而難于推廣、使之應用受到限制嘲[15]。70年代后期以來，隨著集成電路設計與制造技術(shù)的進步，各種開關(guān)電源專用芯片大量問世，這種新型節(jié)能電源才重獲發(fā)展[15]。將控制、驅(qū)動、保護、檢測電路一

22、起封裝在一個模塊內(nèi)。由于外部接線、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化、模塊化使電源產(chǎn)品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。</p><p>　　電源的集成化，使得它被廣泛應用十電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領(lǐng)域中。隨著半導體技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成度高、功能強大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使電子設備的體積在不斷的縮小，重量在不斷的減輕，與之相比，電源要笨重的多[3]。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，電源體積要比微

23、處理器大幾十倍，如何減小開關(guān)電源的體積，面臨著新的挑戰(zhàn)，提高頻率也是開關(guān)電源要面臨的問題。理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電器產(chǎn)品的體積、重量隨供電頻率的平方根成反比的減少，所以當把頻率從50Hz提高到20kHz，提高400倍，用電設備的體積、重量大體上降至高頻設計的5％—50％[2]。但是，頻率提高以后，對整個電路中的元器件又將有新的要求，因此高頻工作下的有關(guān)電路元器件也有待于進一步的研究。</p><p>　　我國對

24、開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制工作開始于60年代初期，70年代起，我國在黑白電視機、中小型計算機中開始應用5V,20A—200A、20KHz、AC-DC開關(guān)電源。80年代進入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應用階段，并開發(fā)研究0.5—5MHz準諧振型軟開關(guān)電源。80年代中，我國通信電源AC-DC及DC-DC開關(guān)電源應用領(lǐng)域中所占比重還比較低。80年代末，我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓整流電源和晶閘管相控穩(wěn)壓電源為大功率AC-DC開關(guān)電源所取代，并開始在

25、辦公室自動化設備中得到應用。90年代我國又研制開發(fā)了一批新型專用開關(guān)電源，如衛(wèi)星上用的開關(guān)電源、遠程火箭控制系統(tǒng)用的DC-DC開關(guān)電源等[10]。</p><p>　　隨著技術(shù)的進步，DC-DC開關(guān)電源朝著高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實現(xiàn)模塊化方向發(fā)展：</p><p>　?。?）專用化：對通信電源等大功率系統(tǒng)，采用集成的開關(guān)控制器和新型的高速功率開關(guān)器件，改善二次整流管的損耗、變壓器

26、電容器小型化，達到最佳的效率[2]。對于小型便攜式電子設備，則主要是單片集成開關(guān)電源的形式，采用新型的控制方式和電路結(jié)構(gòu)來減小器件體積、減小待機功耗，提供低輸出電壓、高輸出電流以適應微處理器和便攜式電子設備等產(chǎn)品電源系統(tǒng)的供電要求。</p><p>　　（2）高頻率：隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動態(tài)響應得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到50MHz[6

27、]。但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻電磁干擾(EMI)等新的問題也將隨之產(chǎn)生，因此實現(xiàn)零電壓導通(zvs)、零電流關(guān)斷(zCS)的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。</p><p>　?。?）高可靠：開關(guān)電源比線性電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器、開關(guān)管及高頻變壓器等決定電源的壽命。追求壽命的延長要從設計方面著手，而不是依

28、賴使用方。美國德州儀器(TI)、安森美(Onsemi)、美信(MAXIM)等公司通過降低結(jié)溫、減少器件的電應力、降低運行電流等措施使其DC-DC開關(guān)電源最新的系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品平均無故障工作時間高達10萬小時以上[15]。</p><p>　　(4)低噪聲：與線性電源相比，開關(guān)電源的一個缺點是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以降低噪聲。但諧振

29、轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點，如很難準確控制開關(guān)頻率、諧振時增大了器件負荷、場效應管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問難以解決。</p><p>　　(5)抗電磁干擾[2]：當開關(guān)電源在高頻下工作時，噪聲通過電源線產(chǎn)生對其它電子設備的干擾，世界各國己有抗電磁干擾的規(guī)范或標準，如美國的FCC，德國的VDE等，研究開發(fā)抗電磁干擾的開關(guān)電源日益顯得重要[15]。</p><p>　　1.3

30、 Buck斬波電路的研究意義</p><p>　　形形色色的移動通訊設備、便攜式娛樂設備、車載設備等電子產(chǎn)品的發(fā)展日新月異，它們越來越強調(diào)多功能、小體積以及綠色環(huán)保等特性，這將推動電源管理技術(shù)的蓬勃發(fā)展。以3G智能手機、便攜多媒體播放器、GPS導航設備、MP3播放器為代表的便攜式消費電阿子產(chǎn)品，對長電池使用時間、高功能集成度和小外形因子等方面提出更高要求，DC-DC開關(guān)電源，電源管理單元(PMU)等電源產(chǎn)品不斷推

31、陳出新[3]。</p><p>　　電源是電子設備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設備的可靠性，而且電子設備的故障60％來自電源[12]。因此，電源越來越受到人們的重視?，F(xiàn)代電子設備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的～種電源

32、。從上世紀90年代以來開關(guān)電源相繼進入各種電子和電器設備領(lǐng)域，計算機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源[10]。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，從而得到迅速推廣。</p><p>　　分布式電源的發(fā)展及與lT技術(shù)的結(jié)合，對傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)造成巨大的影響，帶來了對電路系統(tǒng)概念的革新，在同一電路系統(tǒng)中越來越廣泛地使用分布式開關(guān)電源，使電路技術(shù)產(chǎn)生顯著進步，形成了新型的專項技術(shù)嘲。DC-D

33、C開關(guān)電源技術(shù)是分布式開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)的線性電源相比，DC-DC開關(guān)電源具有高效率、高可靠性、體積小、響應速度快、穩(wěn)定性高、內(nèi)在限流保護等優(yōu)點，使其在電源管理芯片中得到了廣泛的運用。</p><p>　　1.4 論文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文主要研究的內(nèi)容是Buck變換器的PID控制，給出仿真結(jié)果。</p><p>　　第二章主要介紹Buck

34、變換器的三種工作模式：電流連續(xù)模式、電流斷續(xù)模式和臨界導電模式。并介紹了三種工作模式下各元件的電流和電壓的波形圖、計算公式，按設計要求完成參數(shù)的計算。</p><p>　　第三章對Buck變換器建立模型，介紹了理想模型、狀態(tài)空間模型和小信號模型，并對三種模型進行比較，因為小型號模型的狀態(tài)方程是線性定常的一階微分方程組，可以用來建立開關(guān)電路的傳遞函數(shù)。建立主電路的傳遞函數(shù)。</p><p>

35、　　第四章對控制電路作出了理論設計，介紹了電壓模式控制和控制電路的各個環(huán)節(jié)，主要包括驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)器電路和保護電路。</p><p>　　第五章對主電路和PID控制算法進行了Matlab仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，同時介紹PID參數(shù)的臨界比例度法。</p><p>　　第六章對全文進行系統(tǒng)總結(jié)。</p><p>　　2 Buck斬波電路的原理</p>

36、<p>　　降壓式（Buck）變換器是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器[6]。圖2-1給出了它的電路圖。Buck變換器的主要電路由開關(guān)管T，二極管D，輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構(gòu)成。這種電路，電源是電壓源性質(zhì)、負載為電流源性質(zhì)。電路完成把直流電壓Us轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓Uo的功能。</p><p>　　圖2-1 Buck變換器</p><p>　　Buck

37、變換器的兩個工作工況如圖2-2和圖2-3所示[6]。為了分析穩(wěn)定特性，簡化推到公式的過程，特作如下假定：</p><p>　　①開關(guān)管、二極管是理想元件，即可以再瞬間導通或截止，沒有導通壓降（導通時電阻為0），截止時沒有漏電流。</p><p>　?、陔姼小㈦娮枋抢硐朐?。電感工作在線性區(qū)而未飽和寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零。</p><p>　?、圯敵鲭妷?/p>

38、中的紋波電壓與輸出電壓的比值很少，可以忽略。</p><p>　　定義開關(guān)導通時間ton與開關(guān)周期Ts的比值為占空比，用Dc表示[1]。</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　圖2-2 電感電流連續(xù)時主開關(guān)管導通工作狀態(tài)</p><p>　　圖2-3 電感電流連續(xù)時二極管續(xù)流工作狀態(tài)<

39、/p><p>　　根據(jù)電流是否連續(xù)，Buck變換器有三種工作模式——連續(xù)導電模式，不連續(xù)導電模式和臨界狀態(tài)[1]。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感L的電流總大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時間流過電感的電流為零。在這兩種工作方式之間有一個工作邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開關(guān)管關(guān)斷末期，濾波電感的電流剛好將為零。他們工作波形有較大的差異，圖2-4是前兩種工作 的波形圖[6]。</p>&

40、lt;p>　　2.1 Buck變換器的連續(xù)導電模式</p><p>　　當開關(guān)管T導通時，如圖2-4（a）所示，續(xù)流二極管因反向偏置而截至，電容開始充電，直流電壓源Us通過電感L向負載傳遞能量。此時，電感電流iL線性增加，儲存的磁場能量也逐漸增加[6]。負載R流過電流Io，兩端輸出電壓Uo上正下負。在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)開關(guān)管T導通的時間為ton。</p><p>　　當T關(guān)斷時，如圖

41、2-4（b）所示，由于電感電流iL不能突變，故iL通過二極管D續(xù)流，電感電流之間減小，電感上的能量逐步消耗在負載上，iL降低，L上的儲能減小[6]。電感電流減小時，電感兩端的電壓UL改變極性，二極管承受正向偏壓而導通，構(gòu)成連續(xù)通路，負載R端電壓Uo仍然是上正下負。當iL<io，電容處在放電狀態(tài)，以維持Io和Uo不變。在一個周期To內(nèi)開關(guān)管T斷開的時間為Ts-Ton。</p><p>　　在穩(wěn)定分析中假定輸出

42、端濾波電容很大，輸出電壓可以認為是平直的[6]。同樣，由于穩(wěn)態(tài)時電容的平均電流為零，因為Buck變換器中電感平均電流等于平均輸出電流Io。在連續(xù)導電模式下，電感電流不會減小到零，前一個周期結(jié)束時刻和下一個周期開始開始時刻電流是連續(xù)的[4]。</p><p>　　圖2-4 Buck變換器工作波形</p><p>　　（a）Buck電路連續(xù)工作模式；（b）Buck電路不連續(xù)工作模式</p

43、><p>　　下面分析穩(wěn)態(tài)工作的情況，得出輸入輸出之間的關(guān)系。工作波形如圖2-4（a）所示[6]。</p><p>　　主開關(guān)導通時，Buck變換器工作在圖2-2的狀態(tài)。電源電壓通過T加到二極管D兩端，二極管D反向截止，電流流過電感，穩(wěn)態(tài)時輸入輸出電壓保持不變，則電感兩端電壓極性為左正、右負，忽略管壓降有uＬ=Us-Uo。由于儲能電感的時間常數(shù)遠大于開關(guān)周期，因而在該電壓作用下輸出濾波電感中電

44、流iL可近似認為線性增長，直到t1時刻，iL達到最大值iLmax[6]。電感電流線性上升的增量為：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　當主開關(guān)管截止時，Buck變換器工作在圖的狀態(tài)。電感兩端的電壓極性為左負、右正，二極管導通續(xù)流，忽略管壓降有uＬ=Uo，同樣可以認為電感中電流iL可以近似認為是線性下降，下降的量的絕對值為[6]：<

45、;/p><p><b>　　(2-3）</b></p><p>　　當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感電流iＬ波形必然周期性重復，開關(guān)管T導通期間電感中的電流增加量等于其截止時電感中電流的減少量，即[6]</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　聯(lián)合式（2-2）—式（2-4）可得[6]

46、：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　由式（2-5）可知，改變輸出電壓的辦法既可以調(diào)整輸入電壓，也可以改變占空比。在輸入電壓一定的情況下，改變占空比則可控制輸出平均電壓。輸出平均電壓Uo總是少于輸入電壓Us。連續(xù)導電模式下Buck變換器的電壓增益M[6]為</p><p><b>　?。?-6）<

47、;/b></p><p>　　2.2 Buck變換器電感電流不連續(xù)的導電模式</p><p>　　當電感較少、負載電阻較大，則負載電路的時間常數(shù)小，或當開關(guān)周期Ts較大時，將出現(xiàn)電感電流已下降到0，但新的周期卻尚未開始的情況；在新的周期里，電感電流從零開始線性增加，工作狀態(tài)如圖2-5所示，波形如圖2-4（b）所示[3]。此時一個周期Ts內(nèi)有三種狀態(tài)，在圖2-4（b）中這三種狀態(tài)分為3

48、個部分，Dc1Ts、Dc2Ts、Dc3Ts[6]。</p><p>　　開關(guān)導通時，Dc1Ts時間從0到t1，電感電流增加量為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　開關(guān)截止時，Dc2Ts時間電感電流減小量為：</p><p><b>　　（2-8）</b></

49、p><p><b>　　由得</b></p><p><b>　　（2-9）</b></p><p><b>　　整理可得</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　圖2-5 Buck變換器電感電流為

50、0時工作狀態(tài)</p><p>　　不連續(xù)導電模式下Buck變換器的電壓增益M為[6]</p><p><b>　　(2-11) </b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　2.3 電感電流連續(xù)的臨界條件</p><p>　　如果在Ts時刻電感電流i

51、L剛好講到零，則稱之為電感電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)[6]，如圖2-6所示。</p><p>　　此時負載電流Io和iL的關(guān)系為</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(2-13)</b><

52、;/p><p>　　聯(lián)立式（2-3）、式（2-12）、式（2-13）用下標C表示臨界參數(shù)值，則</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　式中 ——輸出功率（W）。</p><p>　　圖2-6 Buck變換器電感電流處于臨界狀態(tài)</p><p>　　2.4 紋波電壓Δ

53、UO及電容計算</p><p>　　流經(jīng)電容的電流ic=iL-io電壓ΔUo紋波電壓，如圖所示，紋波電壓ΔUo[6]與參數(shù)的關(guān)系表達式為</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　則根據(jù)要求的紋波電壓和其他參數(shù)可求得電路的電容[6]</p><p><b>　　（2-16）</

54、b></p><p>　　從式（2-14）和（2-16）也可以知道，電感值與電路中的諸多參數(shù)有關(guān)，如占空比、負載、開關(guān)頻率，電容值則與輸出電壓、紋波電壓、電感值、開關(guān)頻率、占空比都有關(guān)。開關(guān)頻率越高，電感和電容的值就越小。</p><p><b>　　2.5參數(shù)的計算</b></p><p><b>　　設計要求：</b&

55、gt;</p><p>　　輸入：30-60V，輸出：24V；功率：5kw；工作頻率20kHz；紋波電壓為輸出電壓的0.2%。</p><p>　　根據(jù)設計要求，現(xiàn)計算參數(shù)如下:</p><p><b>　　（1）占空比：</b></p><p>　　， （2-17）</p>&l

56、t;p><b>　?。?）電阻：</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　?。?) 周期：</b></p><p>　?。?-19）（4）電感：</p><p><b>　?。?-20）</b></p

57、><p><b>　?。?）電容：</b></p><p>　　根據(jù)紋波電壓要求計算電容，</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　3 Buck斬波電路的建模</p><p>　　3.1開關(guān)電路的建模</p><p>　　圖3

58、-1即為開關(guān)電源控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)[7]。它給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成環(huán)節(jié)，可以用于對系統(tǒng)進行定性的研究。而要進行系統(tǒng)設計，這一模型就顯得不夠詳細，必須對其中的每個環(huán)節(jié)分別建立明確的數(shù)學描述，即給出它們的傳遞函數(shù)。</p><p>　　圖3-1 開關(guān)電源控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)《自動控制原理》、《電路》的知識，系統(tǒng)中很多環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)都可以比較容易得出，而較困難的是主電路的

59、建模。根據(jù)對開關(guān)電路的理想化方法和抽象程度，可以建立3個不同層次的開關(guān)電路模型，，它們分別是理想開關(guān)模型、狀態(tài)平均模型和小信號模型。下面以圖2-1所示典型的降壓型電路為例分別介紹三種模型。</p><p>　　3.1.1理想開關(guān)模型</p><p>　　實際開關(guān)電路中的開關(guān)器件并非理想，其開通和關(guān)斷都需要經(jīng)過一定的過程和時間，通態(tài)存在壓降，斷態(tài)有漏電流。但這些非理想因素對控制系統(tǒng)的特性影響

60、不大，因此在建模時，可以忽略這些非理想因素，認為開關(guān)是理想的，即①開通和關(guān)斷的時間為零，②通態(tài)壓降為零，③斷態(tài)漏電流為零。這樣得到的模型即為理想開關(guān)模型[7]。圖3-2所示即為圖2-1的理想開關(guān)模型。值得注意的是，此處所指開關(guān)不僅包含MOSFET、IGBT等全控型開關(guān)器件，還包括二極管。</p><p>　　圖3-2 降壓型電路的理想開關(guān)模型</p><p>　　電路的拓撲結(jié)構(gòu)隨著開關(guān)的通

61、與斷而變化，其電路方程也是隨著開關(guān)的通與斷而變化的，因此理想開關(guān)模型是時變的。圖2-1中電路的狀態(tài)方程可以寫成下式的形式[7]：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　?。?；；</b></p><p>

62、;<b>　??； </b></p><p><b>　　x —狀態(tài)向量；</b></p><p>　　iL和uc—狀態(tài)變量；</p><p><b>　　u—輸入向量；</b></p><p><b>　　ui—輸入擾動。</b></p>&

63、lt;p>　　理想開關(guān)模型與實際的電路很接近，利用這一模型進行分析得到的結(jié)果也很與實際情況最為吻合。但理想開關(guān)模型是時變的，獲得其解析解比較困難，因此通常用數(shù)值的方法來求解。</p><p>　　數(shù)值方法總是針對一個特定的問題進行求解的，無法獲得對這一類控制系統(tǒng)具有普遍意義的結(jié)果，因此，還還需要對理想開關(guān)模型進行改進，消除其時變性，從而獲得解析解[7]。解析解以代數(shù)表達式的形式給出狀態(tài)方程的解，對于實際應用

64、，代入具體數(shù)值即可。更為重要的是，從解析解表達式可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的規(guī)律性[6]。</p><p>　　式（3-1）是一個典型的時變系統(tǒng)，如果以占空比D作為一個輸入變量，該變量與另一個輸入變量u存在乘積，因此該系統(tǒng)還是非線性的[7]。對于非線性時變系統(tǒng)，解析解的獲得是非常困難的，因此需要通過一系列的簡化，將方程簡化為線性定常的，然后才能得到解析解。</p><p>　　3.1.2狀態(tài)空間平均

65、模型</p><p>　　理想開關(guān)模型具有時變性，但在開關(guān)處于通態(tài)和斷態(tài)時，其拓撲結(jié)構(gòu)和狀態(tài)方程是確定的，也是定常的。因此，根據(jù)開關(guān)處于通態(tài)和斷態(tài)時各自的狀態(tài)方程及所占時間的比例，將式(3-1)中兩個不同時間段的方程按各自的時間比例加權(quán)平均，即可得到如下所示的一個開關(guān)周期內(nèi)系統(tǒng)近似的平均狀態(tài)方程[7]：</p><p><b>　　(3-2)</b></p>

66、;<p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　即</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　該狀態(tài)方程所描述的模型即為系統(tǒng)的狀態(tài)空間平均

67、模型[7]。</p><p>　　狀態(tài)空間平均模型的方程是定常的，容易得到其解析解，可以獲得對一類控制系統(tǒng)具有普遍意義的結(jié)果，對開關(guān)電源控制系統(tǒng)的分析和設計十分重要，也很有效。但值得注意兩點：</p><p>　　(1）狀態(tài)空間平均模型得到的解是與理想開關(guān)模型相比有更大程度的近似，如電容電壓，電感電流等狀態(tài)變量隨開關(guān)的通與斷而產(chǎn)生的波動，在狀態(tài)空間平均模型的解中，都不可能得到體現(xiàn)[7]。&

68、lt;/p><p>　　(2）狀態(tài)空間平均模型僅在低于開關(guān)頻率1/5—1/10的頻率范圍內(nèi)有效，如果分析過程中所涉及的頻率接近或超過開關(guān)頻率，其結(jié)果將失去意義[7]。</p><p>　　對于每個不同的電路，分別建立不同的開關(guān)狀態(tài)下的狀態(tài)方程，在根據(jù)各自的占空比進行平均較繁瑣，現(xiàn)在利用等效電壓源或等效電流源替代開關(guān)器件，從而直接導出狀態(tài)空間平均模型的方法。</p><p&g

69、t;　　圖3-3 狀態(tài)空間平均模型</p><p>　　在理想開關(guān)模型中，計算每個開關(guān)器件（包括二極管）在一個開關(guān)周期中電壓和電流的平均值，然后用電壓等于該平均電壓的電壓源，或電流等于該平均電流的電流源替代該開關(guān)器件。每一個開關(guān)器件既可以替換為等效電壓源，也可以替代為等效電流源，可以根據(jù)電路的具體情況，選擇便于列寫狀態(tài)方程的替換方案。圖3-3即為采用這種方法建立的狀態(tài)空間平均模型。</p><

70、p>　　根據(jù)這一模型建立的狀態(tài)方程為[7]</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　此公式與式（3-2）相同。</p><p>　　3.1.3小信號模型</p><p>　　控制電路通過調(diào)節(jié)占空比D來控制開關(guān)電路，在這種情況下，占空比D就是開關(guān)電路的一個輸入量，而且隨時間變化的量，習慣上

71、用d表示，而D表示固定占空比。在占空比為輸入量得情況下，狀態(tài)空間平均模型不是線性的，這表現(xiàn)在狀態(tài)變量和控制量間存在耦合，即存在乘積項。如式（3-6）所示，控制量d就和系統(tǒng)的輸入量u相乘。在進行系統(tǒng)的分析和設計時，通常需要首先對系統(tǒng)進行局部線性化，這就得到了小信號模型[7]。</p><p>　　下面說明局部線性化地過程。</p><p>　　狀態(tài)平均模型中，電路的狀態(tài)方程可以表示為如下的統(tǒng)

72、一形式：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　設該電路的工作點為（xo,uo，do），則可以在工作點附近將式（3-7）的右邊展開為泰勒（Taylor）級數(shù)，得：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　由于，所以式（3-8）可以寫成<

73、/p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中 ，—雅可比矩陣（Jacobian Matrix），其定義為[7]</p><p>　??；； (3-10)</p><p>　　特別是，當m=n時，成為n維方陣。令</p><p><b>　　（3-11）<

74、;/b></p><p>　　并略去高階無窮小項，則式（3-9）變成[7]</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　這一方程是開關(guān)電路在工作點（xo，uo，do）附近的小信號模型狀態(tài)方程，該方程是線性的，可以按線性常微分方程的解法獲得解析解[7]。</p><p>　　在式（3-12）

75、中，令</p><p><b>　　，，</b></p><p><b>　　（3-13）</b></p><p>　　則得到小信號模型狀態(tài)方程為</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　3.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)</p&g

76、t;<p>　　3.2.1降壓斬波電路的傳遞函數(shù)</p><p>　　在前面已經(jīng)建立了開關(guān)電路的理想開關(guān)模型、狀態(tài)平均模型和小信號模型，這些模型中，只有小型號模型的狀態(tài)方程是線性定常的一階微分方程組，可以用來建立開關(guān)電路的傳遞函數(shù)。</p><p>　　在開關(guān)電路的小信號模型中，輸入變量有兩個：輸入量和擾動量，狀態(tài)變量也有兩個，電感電流iL和電容電壓uc，而系統(tǒng)的輸出變量通常

77、是狀態(tài)變量或者是他們的組合[7]。</p><p>　　由于小信號模型的狀態(tài)方程中，各自不同的輸入和狀態(tài)變量間已經(jīng)實現(xiàn)了解耦，因此可以很容易地寫出其傳遞函數(shù)。</p><p>　　對小信號模型狀態(tài)方程式（3-11）進行拉普拉斯（Laplace）變換，可以復頻域的小信號模型狀態(tài)方程為</p><p><b>　?。?-15）</b></p&

78、gt;<p><b>　　整理，可得</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p><b>　　式中 I—單位矩陣</b></p><p>　　若（）可逆，則可以得到小信號模型狀態(tài)方程在復頻域的解[7]為</p><p><b&g

79、t;　?。?-17）</b></p><p>　　式中 ——狀態(tài)變量與輸入擾動量之間的傳遞函數(shù)。</p><p>　　——狀態(tài)變量與控制量間的傳遞函數(shù)。</p><p>　　下面推導降壓型電路的傳遞函數(shù)。</p><p>　　根據(jù)式（3-6）給出的降壓型電路的狀態(tài)平均模型，并按照前面所述的小信號模型狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣，有<

80、/p><p>　　;; (3-18)并可以求出小信號模型狀態(tài)方程在復頻域的解為 </p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p&g

81、t;　　因此狀態(tài)變量與輸入擾動量間的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p><b>　　寫成標量形式，即</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　而狀態(tài)變量與控制量d之間的傳遞函數(shù)為</p>

82、<p><b>　　(3-23)</b></p><p><b>　　寫成標量形式為</b></p><p><b>　　(3-24)</b></p><p>　　式中 —工作點處輸入電壓值。</p><p>　　3.2.2 PWM比較器的比較函數(shù)</p

83、><p>　　PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）[1]。直流斬波電路采用PWM控制技術(shù)來改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。改變脈沖占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因為脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制[1]。</p><p>　　在開關(guān)電源

84、控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出為直流電平，與鋸齒波s相比較，得到占空比D隨變化的PWM信號，其原理見圖3-4。因此PWM比較器將控制量由電壓信號轉(zhuǎn)換為時間信號D[7]。</p><p>　　設s上升的斜率為,則占空比D與直流電平間的關(guān)系為</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p>　　圖3-4 PWM比較器的原理</p&

85、gt;<p><b>　　則傳遞函數(shù)為</b></p><p><b>　　（3-26）</b></p><p>　　3.2.3調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)</p><p>　　開關(guān)電源中的調(diào)節(jié)器根據(jù)給定信號與反饋信號相減得到的誤差信號來計算控制量，用以控制開關(guān)的占空比。常用的調(diào)節(jié)器有比例積分（PI）調(diào)節(jié)器和比例積分微分

86、（PI）調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為[9]</p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　還可以寫成如下形式：</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　由于這一形式為比例和積分兩個部分的和，因此該調(diào)節(jié)器被稱為比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。</p

87、><p>　　比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為[9]</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p><b>　　還可以表示為</b></p><p><b>　?。?-30） </b></p><p>　　它可以看成是比例、積分和

88、微分項的和。 </p><p><b>　　4 控制電路的設計</b></p><p>　　開關(guān)電源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關(guān)元件的工作，一旦偏離正常工作狀態(tài)，將造成嚴重的后果，使整個電源停止工作或損壞。電源的很多指標，如穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、波紋、輸出特性等也都與控制電路相關(guān)。作為設計工作的重點。同時控制電路功

89、能眾多，相對復雜，設計的內(nèi)容也比較復雜，周期較長，甚至可能反復出現(xiàn)，有時一些 的確定還需要通過實驗來得到。</p><p>　　4.1電壓模式控制電路的設計</p><p>　　電壓模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示[7]。</p><p>　　圖4-1 電壓模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　控制電路設計的目標是使開關(guān)電源在各種工況下均能穩(wěn)定

90、工作，并且達到要求的動態(tài)性能因此控制電路設計工作的核心是電壓、電流反饋控制系統(tǒng)的設計。</p><p>　　電壓模式控制電路的主要內(nèi)容是電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的確定，應按以下步驟進行。</p><p>　　4.1.1電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　開關(guān)電源通常要求較高的輸出電壓穩(wěn)定精度，較好的電源應該可以優(yōu)于0.5%[9]，這樣高的穩(wěn)態(tài)精度采取比例（P

91、）調(diào)節(jié)器是難以達到的，因此電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式都采取比例-積分（PI）或比例-積分-微分（PID）調(diào)節(jié)器，由于積分環(huán)節(jié)的存在，理論上講輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差為零。實際電路中，由于運算放大器零偏、漂移和基準電源與反饋電路的誤差等問題，實際穩(wěn)態(tài)誤差不會為零，但已可以達到較高的精度。</p><p>　　上述三種調(diào)節(jié)器的電路形式見圖4-2。</p><p>　　圖4-2中，r為電壓參考信號，是給定電

92、壓。f是反饋電壓。c是控制量，在電壓模式控制中，控制量用來直接控制占空比；在電流模式控制中，電壓調(diào)節(jié)器在控制量作為電流環(huán)節(jié)的給定信號，用來控制輸出電流[7]。</p><p>　　a）比例（P）調(diào)節(jié)器 b)比例-積分（PI） c）比例-積分-微分調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖4-2 由運算放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器電路</p><p>　　這三種調(diào)節(jié)

93、器的傳遞函數(shù)分別為</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　可以看出，PI調(diào)節(jié)器具有1個零點，而PID調(diào)節(jié)器具有2個零點。采取PI調(diào)節(jié)器，其結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)

94、整定比較簡單，但系統(tǒng)開環(huán)幅頻增益曲線的過零點只能選在低于輸出LC濾波器截止頻率的范圍，因此閉環(huán)系統(tǒng)的響應速度較慢。大多數(shù)電源對電壓的動態(tài)響應速度要求較高，因此通常需要選擇PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　4.1.2電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　如果電壓調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器，有3個參數(shù)需要整定[7]：零點1/(R1C1)、1/(R2C2)和增益，一般應首先確定零點。開關(guān)電源的傳遞

95、函數(shù)是二階振蕩環(huán)節(jié)，其共軛極點由LC濾波電路參數(shù)決定。這一對共軛極點是開關(guān)電源電路的主極點，為了較好地補償這一對共軛極點造成的相位滯后，電壓調(diào)節(jié)器的1個零點1/(R1C1)應該選取在略高于這一對共軛極點對應的頻率附近，即1/(LC)1/2,而另一個零點1/(R2C2)應該選擇在遠低于共軛極點的頻率處，以提供較多的超前相位，通?？梢赃x在1/10共軛極點頻率處。這就是確定零點的原則。</p><p>　　零點確定后，

96、可以根據(jù)波特圖確定增益，一般的原則是使相位裕量為30°到50°。</p><p>　　4. 2 控制電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　控制電路的結(jié)構(gòu)見圖4-3。</p><p>　　圖4-3 控制電路的結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）驅(qū)動電路是控制電路與主電路的接口，同開關(guān)電源的可靠性、效率等性能密切相關(guān)。驅(qū)動電路需要有很高的

97、快速性，能提供一定的驅(qū)動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)器的作用是將給定量和反饋量進行比較額運算，得到控制量[5]。調(diào)節(jié)器的核心是運算放大器，多數(shù)PWM控制器內(nèi)都含有運算放大器，可以構(gòu)成調(diào)節(jié)器，但有時其性能難以滿足要求，這時可以選用合適的集成運算放大器構(gòu)成調(diào)節(jié)器。</p><p>　?。?）開關(guān)電源經(jīng)常需要并機組成系統(tǒng)運行，以獲得更大的容量和更高的可

98、靠性。在設計中，可以采用集成均流控制器如UC3907等。值得注意的是，均流電路的設計不僅要使各并聯(lián)開關(guān)電源模塊在正常工作情況下能夠均流運行，而且應考慮當本模塊發(fā)生故障時，不應顯著影響其他模塊的工作。</p><p>　?。?）為了保證開關(guān)電源在正常和非正常使用情況下的可靠性，其控制電路中應包含保護電路。保護電路具備自身保護和負載保護兩個方面的功能，一旦出現(xiàn)故障立即使開關(guān)電路停止工作并以聲或光的形式報警，以保證在任

99、何情況下，自身不損壞負載。</p><p>　　自保護功能有：輸出過電壓、輸入欠電壓、系統(tǒng)過熱、過電流等[1]。</p><p>　　負載保護功能有：輸出過電壓、輸出欠電壓等[1]。</p><p>　　其中，輸入過電壓、輸出欠電壓、過熱保護電路應采用滯環(huán)比較器，以便在故障情況消失后電源可以自動恢復工作。</p><p>　　過電流保護電路應

100、采用鎖存器將過電流信號鎖存。因為過電流信號出現(xiàn)后，開關(guān)元件的驅(qū)動信號立即被封鎖，過電流信號也會隨之消失，如不將過電流信號鎖存，開關(guān)元件的驅(qū)動信號會再次開放，引起頻繁的重復過電流，很容易導致開關(guān)元件損壞[3]。但鎖存器應附加復位電路，以便在排除故障后重新開始工作，或者采用時間較長的延時復位電路，以降低過電流保護的頻度。</p><p>　　5 Buck斬波電路的控制仿真研究</p><p>

101、　　5.1 Matlab簡介</p><p>　　Matlab軟件語言系統(tǒng)是當今流行的第四代計算機語言，由于它在科學計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模仿真、圖形圖像處理、網(wǎng)絡控制、自動控制、通信系統(tǒng)、DSP處理系統(tǒng)、航天航空、生物醫(yī)藥、財務、電子商務等不同領(lǐng)域的廣泛應用以及自身的獨特優(yōu)勢，目前Matlab受到各研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注[6]。</p><p>　　由于使用Matlab編程運算與進行科學計

102、算的思路和表達方式完全一致，所以不像學習Basic、Fortran和C語言等其他高級語言那樣難以掌握，用Matlab編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題[11]。在這個環(huán)境下，對所要求解的問題，用戶只需要簡單地列出數(shù)學表達式，其結(jié)果便會由Matlab以數(shù)值或圖形方式顯示出來。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性和應用的方便性，以及它能快捷地實現(xiàn)科研人員的設想并節(jié)省科研事件，在高校中得到廣泛的應用與推廣。它可以很方便地進行圖形

103、化輸入輸出，同時還具有豐富的函數(shù)庫（工具箱），極易實現(xiàn)各種不同專業(yè)的科學計算功能[6]。另外，Matlab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便地與其他語言實現(xiàn)混合編程，這都進一步拓寬了它的應用范圍和使用領(lǐng)域。</p><p>　　在各大高等院校，Matlab軟件正在成為對數(shù)值、線性代數(shù)以及其他一些高等應用數(shù)學課程進行輔助教學的有力工具：在工程技術(shù)界，Matlab軟件也被用來構(gòu)建與分析一些實際課題的數(shù)學模型，其

104、他典型的應用包括數(shù)值計算、算法預設計與驗證，以及一些特殊矩陣的計算應用，如統(tǒng)計、圖像處理、自動控制理論、數(shù)字信號處理、系統(tǒng)識別和神經(jīng)網(wǎng)絡等。它包括了被稱作工具箱（Toolbox）的各類應用問題的求解工具。工具箱實際上是對Matlab軟件進行擴展應用的一系列Matlab函數(shù)（稱為M函數(shù)文件），它可以用來求解許多學科門類的數(shù)據(jù)處理與分析問題[15]。</p><p>　　5.2 Buck斬波電路主電路的仿真</

105、p><p>　　按要求，輸入電壓30-60V，輸出電壓24V，分別對輸入30V和60V進行仿真，觀看仿真波形。</p><p>　　當輸入30V時，在Simulink環(huán)境建立仿真模型如圖5-1所示，設置脈沖占空比為80%。當輸入為60V時，設置占空比為40%。</p><p>　　圖5-1主電路仿真模型</p><p>　　輸出波形如圖5-2所示

106、和5-3所示。</p><p>　　仿真結(jié)果分析:由圖5-1中看出，輸入為30V和60V，占空比分別設置為80%和40%，其輸出電壓為23.74V，與要求得24V相近。</p><p>　　由圖5-2和5-3可以看出輸出電壓穩(wěn)定在23.74V，電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下。</p><p>　　圖5-2 輸入為30V，占空比為80%時波形圖</p><

107、;p>　　圖5-3 輸入為60V，占空比為40%時波形圖</p><p>　　5.3 Buck斬波電路的PID控制算法的仿真</p><p>　　控制系統(tǒng)框圖如圖3-1所示，下面分別建立各自的傳遞函數(shù)。</p><p>　　開關(guān)電路:根據(jù)式（3-12）和計算的電感、電阻和電容的值，得:</p><p><b>　　(5-1)&

108、lt;/b></p><p>　　設PWM環(huán)節(jié)中鋸齒波形的幅值為1V，頻率為20kHz，則根據(jù)式（3-26），PWM環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　PID參數(shù)整定方法采用穩(wěn)定邊界法，又稱臨界比例度法[8]，是目前應用較廣的一種調(diào)節(jié)參數(shù)整定方法。在生產(chǎn)工藝允許的情況下，先讓調(diào)節(jié)器按比例調(diào)

109、節(jié)工作。從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩；先記錄此時的（臨界）比例度Pm和等幅震蕩周期Tm，再通過經(jīng)驗公式的簡單計算，求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。具體步驟如下:</p><p>　　（1）首先取Ti=∞，Td=0，根據(jù)廣義對象特性選擇一個比較大的比例度P值，并在工況穩(wěn)定的情況下，將控制系統(tǒng)投入自動狀態(tài)。</p><p>　?。?）等系統(tǒng)運行平穩(wěn)后，對設定值施加一個階躍擾動，并

110、減小P，直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖5-4所示的等幅震蕩—臨界震蕩過程。記錄下此時的Pm（臨界比例度）和系統(tǒng)等幅震蕩的周期Tm。</p><p>　?。?）根據(jù)所記錄的Pm和Tm，按表5-1給出的經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)P、Ti、Td，并按計算定值擾動結(jié)果設置調(diào)節(jié)器參數(shù)，再做設定值擾動試驗，觀察過渡過程曲線。若過渡過程不滿足質(zhì)量要求，再對計算值做適當?shù)恼{(diào)整，直到得到滿意的結(jié)果為止。</p><p>

111、;　　圖5-4 系統(tǒng)臨界震蕩曲線</p><p>　　表5-1 臨界比例度法整定參數(shù)計算表</p><p>　　在Simulink建立仿真模型如圖5-5所示。</p><p>　　設置比例Kp=12，微分參數(shù)Td=4.17×10-4，積分參數(shù)Ti=4.7×103，輸入信號為階躍信號，電壓反饋環(huán)節(jié)為1。</p><p>　　

112、圖5-5 PID算法仿真模型</p><p>　　其輸出信號如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 PID算法仿真輸出波形圖</p><p>　　由圖5-6得出采用PID控制能達到系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地要求。</p><p><b>　　6全文總結(jié)及展望</b></p><p>　　全文對開關(guān)電

113、源的產(chǎn)生、發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀、方向作了一個大致的介紹。其中重點突出開關(guān)電源的控制方法。開關(guān)電源的控制方法雖然多種多樣，但始終圍繞一個目的—提高輸出的穩(wěn)定性。</p><p>　　電源管理芯片是開關(guān)電源的核心控制芯片，在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關(guān)電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。本文主要突出了Buck變換器的工作原理，包括三種工作模式下各元器件的工作波形

114、圖，給出了元器件參數(shù)的推導計算公式，并按設計要求計算各元器件的參數(shù)。重點是對Buck變換器建立理想模型、狀態(tài)空間平均模型和小型號模型，因為理想模型理想模型系統(tǒng)是非線性的，對于非線性時變系統(tǒng)，解析解的獲得是非常困難的，所以本設計不采用理想狀態(tài)模型。而狀態(tài)空間平均模型也不是線性的，在系統(tǒng)進行分析和設計時，通常需要首先對系統(tǒng)進行局部線性化，這就的得到了小信號模型，由于在小信號模型的狀態(tài)方程中，各個不同的輸入和狀態(tài)變量間已經(jīng)實現(xiàn)了解耦，因此可以

115、很容易地寫出其傳遞函數(shù)。在建立模型的基礎上對系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)建立傳遞函數(shù)。文中介紹的控制方式是電壓模式控制，簡單介紹了控制電路的組成結(jié)構(gòu)，主要有驅(qū)動電路、調(diào)節(jié)器電路、并機均流電路、保護電路。在最好應用Matlab對主電路和傳遞函數(shù)進行仿真，介紹了PID參數(shù)的整定方法，得到穩(wěn)定的輸出波形。</p><p>　　本文的不足之處在于控制模式的單一，只采用了電壓模式控制。開關(guān)電源中的控制方式總的來說可以分成電壓模式控制和電流