Buck变换器实现及其调速系统设计与调试

运动控制系统课程设计题目：Buck变换器实现及其调速系统设计与调试院系：班级：姓名：学号：指导老师：日期：摘要 (3)第一章概述 (3)第二章设计任务及要求 (4)2.1实验目的 (4)2.2实验内容 (4)2.3设计要求 (4)2.4课程设计基本要求 (5)第三章BUCK变换器的工作原理和各种模型 (6)3.1B UCK变换器介绍 (6)3.2B UCK变换器电路拓扑 (6)3.3PWM控制的基本原理 (7)第四章MATLAB仿真模型的建立 (9)4.1MATLA仿真软件介绍 (9)4.2B UCK电路模型的搭建 (9)4.3B UCK变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真 (12)4.3.1直流电机的数学模型 (12)4.3.2系统在开环情况下的仿真 (13)4.3.3 系统在闭环情况下的仿真 (14)第五章总结与体会 (18)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 实验内容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Matlab function（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调速范围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t s≤ 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，在加上电流内环，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。

按照不同的BUCK变换器调制方法进行系统仿真和调试。

2、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，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3.1 Buck变换器介绍电力电子器件组成的直流斩波电路，能产生稳定的大范围可调的直流电源，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（Pulse Width Modulation,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。

3.2 Buck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（Buck converter）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。

3.3 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）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4.1 MATLAB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，所涉内容专业性极强。

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。

4.2 Buck电路模型的搭建图4.1.1 Buck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PWM波的函数如下：function [sys,x0,str,ts] = pwm(t,x,u,flag,T) switch flag,case 0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(T);case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u,T);case 4,sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u,T); case{1,2,9},sys=[];otherwiseerror(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); endfunction [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(T) 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 = [];ts = [-2 0];function sys=mdlOutputs(t,x,u,T)if t-fix(t/T)*T==0sys=sign(u);elsesys=0; endfunction sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u,T) if mod(t,T)==0&abs(u)>0 H=abs(u)*T;disp('b'); elseH=T-mod(t,T);disp('c'); enddisp([H,u,t]); sys=t+H;4.3 Buck 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：0d d U I R E -=及1eE n C =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4.3.2.1 Buck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。