Buck变换器实现与调速系统设计与实践.docx
- 文档编号:9847464
- 上传时间:2023-05-21
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:315.37KB
Buck变换器实现与调速系统设计与实践.docx
《Buck变换器实现与调速系统设计与实践.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Buck变换器实现与调速系统设计与实践.docx(18页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
Buck变换器实现与调速系统设计与实践
《运动控制系统》
课程设计报告
设计题目:
Buck变换器实现及调速系统设计与实践
班级:
姓名:
学号:
指导教师:
设计时间:
摘要
第一章概述2
第二章设计任务及要求3
2.1实验目的3
2.2实验容3
2.3设计要求4
2.4实验(设计)仪器设备和材料清单4
2.5课程设计基本要求4
第三章BUCK变换器的工作原理和各种模型4
3.1Buck变换器介绍4
3.2Buck变换器电路拓扑5
3.3PWM控制的基本原理6
第四章MATLAB仿真模型的建立7
4.1MATLAB仿真软件介绍7
4.2BUCK电路模型的搭建7
4.3Buck变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真10
4.3.1直流电机的数学模型10
4.3.1系统在开环情况下的仿真12
4.3.1系统在闭环情况下的仿真12
第五章总结与体会15
参考文献15
摘要:
变压调速是直流调速系统的主要方法,调节电枢供电电压从而改变电机的转速。
即需要有一个可控直流源,常用的为直流斩波或者脉宽调制器,其通过电力电子开关控制及电容、电感的充放电及二极管的续流组成直流斩波电路(DC),实现输出电压可控,即升压(BOOST)、降压(BUCK)。
本实验主要针对降压斩波电路(BUCK)进行实验分析。
实验采用MATLAB作为仿真软件,利用PWM波驱动降压斩波电路为直流电动机提供驱动电压,并通过调节PWM波的占空比来调节电动机的启动电压使达到调节电动机转速的电路设计。
关键词:
S-Function;PWM调制;Buck变换器;闭环控制;直流电动机
第一章概述
直流变换技术(亦称直流斩波技术,DC-DC),作为电力电子技术领域非常活跃的一个分支,在近几年里,得到了充分的发展。
随着电动牵引技术的发展,特别是电子信息类产品的大量涌现,直流变换技术已经广泛应用于生产,生活的各个领域。
由于其有良好的可操作性,被大量应用到电机的调速系统中,很好的解决了电动机调速的不可控性。
BUCK电路作为一种最基本的DC-DC变换电路,由于其简单、实用性在各种电源产品中均得到广泛的应用。
其电路主要器件有电力电子开关(IGBT或MOSFET)、电感、电容、续流二极管。
通过对开关的调节控制电压,其一般采用软开关控制方法,即采用脉宽调制技术(PWM),通过改变占空比来调节输出电压的大小。
其与直流调速系统组成的脉宽调制变换器—直流电机调速系统,简称直流脉宽调速系统,即PWM直流调速系统。
存在:
1)主电路简单、功率器件少;2)开关频率高、电流容易连续、谐波小;3)低速性能好、稳态精度高;4)低速性能好,稳态精度高,动态抗干扰能力强等优点。
使用MATLAB等仿真分析,再做实物研究,已经逐渐成为电力电子技术研究的主要方法。
本次课程设计使用MATLAB友好的工作平台和编辑环境进行模型编辑工作,运用它的s函数编辑一个简单的脉冲发生器,要求它的占空可调;运用数学处理功能来处理仿真时的实时数据,利用传递函数构造直流电机转速的数学模型,运用它广泛的模块集合工具箱里的Simulink进行电路模型搭建和系统仿真,控制电路的占空比从而控制输出电压的大小,进而调节电机的转速,同时采用负反馈的控制方式,调节转速在一个恒定值。
第二章设计任务及要求
2.1实验目的
1、通过对一个实用的Buck变换器实现及其调速系统的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识,提高学生工程意识和实践技能,达到素质和创新能力进一步提升,使学生获得控制技术工程的基本训练。
2、通过系统建模和仿真,掌握用MATLAB/Simulink工具分析设计Buck变换器实现及其调速系统的方法。
3、进一步掌握各种直调速系统的性能,尤其是动态性能。
2.2实验容
1.理论设计:
根据所学的理论知识和实践技能,了解带Buck变换器实现调压的原理;设计相应的直流调速系统(含主电路和控制电路,选择的元器件,系统的电气原理图)。
2.仿真实践:
根据所设计系统,利用Matlab/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型,并对系统仿真模型进行综合调试,分析系统的动态性能,并进行校正,得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数,为搭建实际系统提供参考。
3.动手实践:
根据所设计系统,完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试(可利用实验台的某些挂件),得出实物实验波形和系统动、静态性能。
2.3设计要求
1、技术参数
Buck变换器的PWM信号的频率:
20KHz,输入电压:
15V,电感:
1.5mH,电容:
30μF,负载电阻:
8.1Ω。
Buck变换器输出0~15V直流电压,输出电压可通过改变PWM波占空比调节输出直流电压大小
2.设计要求
⑴掌握Buck变换器的工作原理、开关模型和平均值模型等状态空间方程;
⑵应用MATLAB中的Matlabfunction(MATLAB函数)模块结合MATLAB语言编写PWM信号的发生器程序;
⑶用Simulink中的模块建立Buck变换器的平均值模型,并能够与PWM信号发生器联用。
⑷调速围D=10,静差率S≤5%;稳态无静差,空载起动到额定转速时的过渡过程时间ts≤1.0s。
⑸实际系统具有过流、过压、过载和缺相保护,触发脉冲有故障封锁能力,并设置给定积分器。
3、电机拖动控制系统设计与仿真
⑴根据所提供参数,先用Simulink模块建立Buck变换器仿真模型,观测相关数据和波形。
⑵在此基础上接入直流电动机,观察开环系统的转速、电流。
⑶针对开环系统存在的问题,加转速闭环,设计转速调节器,观察转速的稳定效果。
⑷如果时间充裕,在加上电流环,设计电流调节器,观察电流的稳定效果。
4、安装单元电路并实验、进行系统组装及调试,进行系统测试。
2.4实验(设计)仪器设备和材料清单
1、电力电子技术及电机控制实验台1台
2、微型计算机及MATLAB仿真软件1套
3、测速发电机组、直流电动机、直流发电机变压器等设备若干;
4、双踪慢扫描示波器、数字存储示波器(可无)、万用表各一个
5、电子元器件、导线、开关等若干。
2.5课程设计基本要求
1.本课程设计按统一教学计划安排进行,在指导老师指导下完成系统人机界面组态和控制流程图的设计。
本实验小组共3人,分工合作,一人负责MATLAB仿真、一人负责参数计算、一人负责实物连接图。
按照不同的BUCK变换器调制方法进行系统仿真和调试。
2.各小组学生应独立完成课程设计任务书的全部容。
3.在课程设计的教学过程中,指导老师可分阶段对学生完成的工作及所得结果进行检查。
4、课程设计完成后,学生应进行系统的总结,撰写的课程设计报告,应包括系统工作过程分析、软件流程图说明。
报告应书写工整,图表齐全完整。
第三章BUCK变换器的工作原理和各种模型
3.1Buck变换器介绍
电力电子器件组成的直流斩波电路,能产生稳定的大围可调的直流电源,在现代生产中得到广泛的应用。
DC/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。
斩波器的工作方式有三种:
1、保持开关周期Ts不变,调节开关导通时间Ton,称为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,缩写为PWM);
2、保持开关导通时间Ton不变,改变开关周期Ts,称为频率调制或调频型;
3、Ton和Ts都可调,使占空比改变,称之为混合型。
Buck电路就是DC/DC变换的一种。
Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。
其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。
3.2Buck变换器电路拓扑
T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)
D:
续流二极管,L和C组成LPF。
图3.2.1降压斩波电路的原理图
当t∈[0—DT]时,控制信号使得T导通,D截止,向L充磁,向C充电;
当t∈[DT--T]时,T截止,D续流,U0靠C放电和L中电流下降维持。
图3.2.2降压斩波电路工作分解图
图3.2.3降压斩波电路工作主要波形
至一个周期Ts结束,再驱动T导通,重复上一周期的过程。
当电路工作于稳态是,负载电流在一个周期的初值和终值相等。
负载的电的平均值为:
(其中Ton为V处于导通的时间,T为开关周期)由上式可知,输出到负载的电压平均值Uo最大为E,若减小占空比,Uo将随之减小,因此该电路称为将压斩波电路,也称为Buck变换器(Buckconverter)
负载电流平均值为:
若负载重L值较小,则在T关断后,负载电流可能会衰减至零,会出现负载电流断续的情况,负载电压Uo平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况。
3.3PWM控制的基本原理
PWM(PulseWidthModulation)控制——脉冲宽度控制技术,通过一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广,生产中应用的逆变电路绝大部分是PWM型,PWM控制技术正是依赖在逆变中的应用,才确定在电力电子技术中的主导地位。
其基本等效原理是:
冲量相等而不相同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近,仅在高频段略有差异。
图3.3形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
第四章MATLAB仿真模型的建立
4.1MATLAB仿真软件介绍
simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
它支持线性和非线性系统连续和离散时间模型,或者是两者的混合。
在建模上,simulink提供了一个图形化的用户界面(GUI),可以用鼠标点击拖拉模块的图标建模。
从建模角度讲,既适于自上而下(Top-down)的设计流程(概念、功能、系统、子系统直至器件),又适于自下而上(Bottom-up)的逆程设计。
在MATLAB中,可直接在simulink环境中运作的工具包很多,覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电力系统等诸多领域,所涉容专业性极强。
同时由于可以利用其进行仿真,为科学实验带来了极大的方便,促进了其进一步发展。
本实验主要采用MATLAB_R2009a版,在simulink中简单仿真BUCK电路模型、直流电机转速的函数模型,并进行仿真运行,调节观测控制参数。
4.2Buck电路模型的搭建
图4.1.1Buck电路的开环仿真模型
其中电感值设为1.5mH,电容30μF,负载电阻8.1Ω,输入电压15V时
实验仿真得到的波形如下:
图4.1.2占空比为80%时发脉冲及输出电压的波形
图4.1.3占空比为50%时触发脉冲及输出电压的形
分析实验所得波形:
当占空比为80%时,根据Buck电路输出电压与占空比的关系可知,输出电压应该为12V,由波形可知,所得正弦波幅值为11.06V左右;当占空比为50%,输出应为7.5V实际输出为6.6V左右,且波形有一定的失真,这时由于电容,电感作用的原因。
其中用的开环系统中的S函数产生触发脉冲的函数如下:
function[sys,x0,str,ts]=pwm(t,x,u,flag)
case4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,u);
case{1,2,9};
switchflag,
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case3,
sys=mdlOutputs(t,x,u);sys=[];
otherwise
error(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);
end
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(s)
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;
sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1;
sizes.NumInputs=0;
sizes.DirFeedthrough=0;
sizes.NumSampleTimes=1;
sys=simsizes(sizes);
x0=[];
str=[];
ts=[-20];
functionsys=mdlOutputs(t,x,u)
if(mod(t,0.0002)<=0.0001)
h=1;
elseh=0;
end
sys=[h];
functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
sys=t+0.000001;
4.3Buck变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真
4.3.1直流电机的数学模型
由直流电机的机械特性方程:
及
可得直流电机的数学模型如下图所示:
图4.3.1直流电机的数学模型
4.3.2系统在开环情况下的仿真
图4.3.2.1Buck变换器带电机负载的仿真模型
其中仿真模型中,直流电机负载采用简化的数学模型进行建模。
经查资料可知:
取电机的额定电压15V,额定转速为3500r/min,额定负载时电流为0.1A。
系统在不同得占空比下得到的转速波形如下所示:
图4.3.2.2开环时Buck占空比为50%时的转速波形
图4.3.2.3开环时Buck占空比为50%时的转速波形
由仿真所得波形可知,在占空比为50%时,Buck变换器输出的电压为6.7V左右,符合变换器的计算公式,且输出转速约为1400r/min也完全符合要求。
当占空比为25%时,变换器输出电电机转速约为790r/min,虽有一些误差,但是在允许围,符合设计要求.
4.3.3系统在闭环情况下的仿真
图4.3.3.1Buck变换器带电机负载的闭环系统仿真模型
图4.3.3.2闭环时占空比为为50%时的电压波形
图4.3.3.3闭环时占空比为为50%时的转速波形
在原有的开环情况通过引入转速反馈,然后通过MATLAB中S-Function进行编程。
当转速很小时,反馈不起作用,电机直接全压启动加速,当转速进入程序设定的作用围时,通过S-Function不断的修改占空比,调节Buck变换器的输出电压,从而调节转速使其稳定在要求的大小。
其中S-Function的程序controller如下所示:
function[sys,x0,str,ts]=controller(t,x,u,flag,a)
switchflag,
case0,
[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;
case1,
sys=mdlDerivatives(t,x,u,a);
case2,
sys=mdlUpdate(t,x,u,a);
case3,
sys=mdlOutputs(t,x,u,a);
case4,
sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u);
case9,
sys=mdlTerminate(t,x,u,a);
otherwise
error(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);
end
function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=-1;sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;
sys=simsizes(sizes);
x0=[];
str=[];
functionsys=mdlDerivatives(t,x,u,a)
sys=[];
functionsys=mdlUpdate(t,x,u,a)
sys=[];
functionsys=mdlOutputs(t,x,u,a)
if(abs(u-a)<0.01*a)
D=(a*2-u)/(20+a);
if(mod(t,0.0001)<=(0.0001*D))
h=1;
elseh=0;
end
else
D=a/(20+a);
if(mod(t,0.0001)<=(0.0001*D))
h=1;
else
h=0;
end
end
sys=[h];
functionsys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)
sampleTime=0.00001;
sys=t+sampleTime;
functionsys=mdlTerminate(t,x,u,a)
sys=[];
第五章总结与体会
此次课程设计使我们收获了很多东西,同时加深巩固了我们以前学过的一些知识。
首先我们很好的复习了电力电子技术中直流斩波电路及Buck、BOOST变换器的知识,比如其工作原理,动态建模以及反馈设计等,加深了对其的认识;同时还有PWM的工作原理及其调制方法;另外还有运动控制相关的闭环控制的知识等。
其次是有关S-function编程的知识,对于S函数产生PWM波形的函数有了一定的认识与了解。
另外通过本次课程设计,使自己对于MATLAB软件,特别是Simulink仿真工具有了更深的了解,同时熟练了其基本的使用方法,能够应用其进行仿真设计实验。
由于运动控制系统课程是上学期学的,很多东西这个时候都生疏了,以至于在实验的时候对于一些原理不够清楚,因而在今后要加强对前面学过的知识的灵活使用及复习。
由于实验是分组进行的,一个组的几个成员之间需要很好地协调与分工,这对于实验的顺利进行十分重要。
通过本次实验锻炼了我们的团队合作及动手能力,对于以后出去工作很有帮助。
另外感易老师在实验过程中给予的指导,使我们对于一些问题有了更加深刻的认识与了解。
参考文献
[1]伯时.电力拖动自动控制系统.:
机械工业,2003
[2]国勇,克明,丽娟.计算机仿真技术与CAD.:
电子工业,2008
[3]王兆安,黄俊.电力电子技术.:
机械工业,2000
[4]立志.PWM与数字化电动机控制技术..中国电力,2008.1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Buck 变换器 实现 调速 系统 设计 实践