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1、 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： 目 录摘要第一章 概述2第二章 设计任务及要求32.1 实验目的32.2 实验内容32.3 设计要求42.4实验（设计）仪器设备和材料清单42.5 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43.1 Buck变换器介绍 43.2 Buck变换器电路拓扑53.3 PWM控制的基本原理6第四章 MATLAB仿真模型的建立74.1 MATLAB仿真软件介绍74.2 BUCK电路模型的搭建74.3 Buck变换器在电机拖动控制系统中的设计与仿真104.3.1
2、直流电机的数学模型104.3.1系统在开环情况下的仿真124.3.1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
3、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
4、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（），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，即直流调速系统。存在：）主电路简单、功率器件少；）开关频率高、电流容易连续、谐波小；）低速性能好、稳态精度高；）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
5、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
6、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：20KH
7、z，输入电压：15V，电感：1.5mH，电容：30F，负载电阻：8.1。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 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； 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； 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。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ts 1.0s。 实际系统具有过流、过压、过载和缺相保护，触发脉冲
8、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 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。 在此基础上接入直流电动机，观察开环系统的转速、电流。 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。 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 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
9、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各小组内学生应独立完成课程设计任务书的全部内容。 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
10、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
11、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t0DT时,控制信号使得T导通,D截止,向L充磁,向C充电； 当tDT-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
12、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
13、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-d
14、own）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30F，负载电阻8.1，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)
