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1、论文-Buck变换器双闭环控制仿真研究 作者： 日期：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
2、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
3、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，2008，17(6)：58-60.2 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， 2008，28(3): 60-65.4 马丽梅，Buck-boost DC-DC变换器的控制，河北工业大学学报，
4、2008，37(4) :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， 20(5) :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，1999，3(1) :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 22(4):50-52.9 Xu Jianping，Yu Juebang.Equivalent circuit model of switches
5、 for SPICE simulation.IEE Electronics，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，2009，32(21)： 52-54.12 王久和. 电压型PWM整
6、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，2007，24(8)： 145-148.三、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
7、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
8、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
9、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56。2. 国内外发展状况 DC/DC变换器是一种强非线性系
10、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
11、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
12、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。
13、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910。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
