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

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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。