NBA押注平台Buck变换器设计PWM控制器设计2.1PWM控制的基本原理2.2控制电路设计buck变换器主电路设计3.1主电路分析3.2反馈回路设计buck变换器控制器设计4.1系统分析4.2控制器设计4.3控制器实现114.4结果12参考文献：13附录：Buck变换器设计引言直流电机是人们最先发明、认识和利用的电机，它具有调速范围广，且易于平滑调节，过载、起动、制动转矩大，易于控制，且控制装置的可靠性高，调速时的能量损耗小等优点，在高精度的位置随动系统中，直流电机占据着主导地位直流-直流变流器（DC-DCConverter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路为称斩波电路（DCChopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V导通一段时间t。输出电压小于电源电压，起到降压的作用PWM控制器设计本组设计要求：BuckDC/DC变换器。

电源电压Vs=25～30V，瞬时电流(最大电流)不能超过0.5A(由于电源的限制)，开关频率70kHz。要求输出电压Vo=20V；纹波电压小于5%。电感电流不断流。必须完成闭环设计(实现补偿网络)。2.1PWM控制的基本原理PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。冲量相同的各种窄脉冲的响应波形以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

NBA押注平台对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效2.2控制电路设计PWM控制芯片SG3525是电压控制型PWM控制器，所谓电压控制型脉宽调制器是按照接反馈电压来调节脉宽的。控制电路使用PWM控制芯片SG3525来产生开关控制信号。其原理图如下：PWM控制原理图和工作波形反馈信号比较既产生开关控制信号，用于控制主电路MOSFET的通断。当误差信号增大时电力电子技术焊接电路板的课程设计报告，开关控制信号的矩形波占空比就会增大。主电路MOSFET的开通时间就会增长，输出电压平均值减小，开关控制信号的占空比也减小，输出电压平均值就会随之减小。芯片SG3525号脚是误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（9号脚）短接，可构成跟随器。号脚是误差放大器同向输入端，该端接给定信号。接电位器后与16号脚相接。开环下，调节2号脚的电位器可调节PWM波形的占空比。闭环下，2号脚是PWM比较器补偿信号输入端。开环下与1号脚短接，闭环下接补偿器的输13和15号脚接偏置电源，该端电源输入电压不可超过超过20V，否则驱动MOSFET时可能将MOSFET的栅极烧坏。

11和14脚则为开关信号的输出端。两端波形相位相差180度，为互补输出端。控制器既PWM波形生成器已经如下电路图焊接电路。将五号脚接一个102电容（0.001μF）同时与7号脚短接。11号脚暂时不接电路。开环控制回路调试电路，得到SG3525芯片的5号脚出现锯齿波，11和14脚出现方波。由本组实验要求，Vg=25V，V0=20V，则可推出需要的PWM波形的占空比α=0.8。调节号脚电位器直至11号脚的占空比α=0.4（11和14脚相位相差180度，互为半波）。调节6buck变换器主电路设计3.1主电路分析系统框图如下：Buck变换器系统框图主电路图如下：主电路图整个Buck电路包括Gc（s）补偿器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）开环传递函数和H（s）反馈回路。给定量R（s）(既SG3525芯片2号脚电位器所对应电压)与反馈比较产生的偏差通过超前滞后校正器Gc（s）校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压即作出相应的调整,来消除偏差。本组控制要求为：BuckDC/DC变换器。电源电压Vs=20～25V，瞬时电流(最大电流)不能超过0.5A(由于电源的限制)，开关频率30kHz。

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要求输出电压Vo=10V；滤波电容为330μF。电感电流不断流。必须完成闭环设计(实现补偿网络)。注：由于将SG3525芯片的11和14脚短接后，芯片温度上升过快，温度过高，芯片容易烧毁，所以放弃11和14脚短接后连接主电路的MOSFET。使用一脚即11或14脚单独连接，这样占空比α=0.4，输出电压应为10V。由于实验室只有1mH的电感，则L取1mH，Vs取20V。纹波电压：依据如上算出的要求可推算出主电路元件所需数值为：电容电感L=1mH则可以得到：电容取330*10^-6F电阻R取47电感L取1*10^-3H电阻取47R11取470焊接主电路，得到开环下主电路电阻R两端的最大平均电压为：4.2V（SG3525芯片1,9号仍然短接）。理论上R两端最大平均电压应该为（2）V=10V。再次用示波器测量芯片11号脚电位器，占空比变小，输出电压也更着变小。更换电容至33，电阻R两端最大平均电压仍然达不到10V。经验证可能是MOSFET额定电流过大电力电子技术焊接电路板的课程设计报告，而本实验限流0.5A，使MOSFET极之间压降过大，从而造成实际输出电压偏低。3.2反馈回路设计反馈网络和超前滞后校正器电路图为：反馈回路和补偿器反馈回路既H（s）取0.2，既0.2。

NBA押注平台取Ry1K欧姆，Rx为4K欧姆。buck变换器控制器设计4.1系统分析SG3525芯片11号脚占空比调到最大（调节2号脚电位器，当占空比恰好变小那号脚锯齿波所对应的峰值电压即为实验所需数据Vm的值，实验测得为3.18V，取3.2V。用MATLAB得开环下系统的伯德图为：图10开环传递函数相角裕度只有2.55度电力电子技术焊接电路板的课程设计报告，相角裕度过低电力电子技术焊接电路板的课程设计报告，不满足设计要求。需加入补偿器。可采用有源超前滞后校正器。所用MATLAB程序如下：num=1.25; den=[3.3*10^-7 2.128*10^-5 G=tf(num,den);margin(G) 4.2 控制器设计 补偿器的传递函数为： 有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为： 为开关频率）开环传函 两个零点的频率设计为开环传10 根据已知条件使用MATLAB程序（源代码见附录）算得校正器Gc（s）各元件的值如下： R2=3000欧姆 H(S)=1/6 算得：R1=596.3119 欧姆 R3=4.5253 欧姆 C1=9.987e-08F C2=7.579e-10F C3=5.024e-07F 补偿器伯德图为： 图11 超前滞后校正器的伯德图 11 加入补偿器后： 图12 加入补偿器后系统的伯德图 图13加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度 相角裕度到达64 度，幅值裕度到达19.8 分贝，符合设计要求。

（所用MATLAB 程序见附 4.3控制器实现 C1 和C3 用两个104 电容近似代替，C2 用一个102 电容近似代替。 R1 用一个500 欧姆电阻和100 欧姆电阻串联近似代替。 R2 用一个1000 欧姆电阻和2000 欧姆电阻串联得到。 R3 用两个10 欧姆并联近似代替。 将SG3525 芯片的原来短接的1 和R3以及C1 和C2 的连接点，9 号脚接超前滞后校正器的输入端。焊接电路板。 12 4.4 结果 超前滞后校正器校正原理： 给定信号的 号脚电压为1V 时，期望的输出电 压即为 6V。当系统输入电压 通过反馈回路与给定信号比较，产生的偏差输入超前滞后校正器。校正器通过积分作用产生补偿信号在输入 PWM 控制器，使PWM 控制器的误差信号 变低，开关信号的占空比随之变小，输出电压 保持不变。接上反馈回路和补偿器后，调节2 号脚电位器使给定电压为1.5V。期望的输出电压 因为1 。实际输出电压，由于MOSFET 问题无法达到这个值。原理上调节输入 电压Vg，输出电压不变，占空比应发生变化。但调节输入电压Vg，输出电压出现变化， 但占空比α 不变化。既补偿器不起作用。

关闭输入电压Vg，占空比仍然不变。再次调节 号脚电位器，使给定电压降低。调节输入电压，11号脚占空比仍然不变。测试 11 脚矩形波正常，5号脚锯齿波正常。用电压表测试MOSFET 端电压，有电压，电阻R两端也有电压。 电阻R 串联个47 欧姆的电阻，再次测试，占空比仍然没有变化。闭环失败。 问题和总结课程设计过程中遇到的问题及解决： 在焊接电路板时，要注意电路的干扰问题，接线尽可能的短，元件要适当的远离。第一次焊接PWM 控制器时由于线过多，造成锯齿波和矩形波不正常。后重新焊接一 片电路板，减少用线，适当调整元件布局，波形正常。 由于将SG3525芯片的11 和14 脚短接后，芯片温度上升过快，温度过高，芯片容易 烧毁，所以放弃11 和14 脚短接后连接主电路的MOSFET。使用一脚即11 或14 独连接，这样总的占空比α=0.4。 13 在开环下，主电路R两端的输出电压应该为10V，但实际最大平均电压只有4.2V。 更换主电路电容为33 接上反馈回路和补偿器后，调节好给定电压。但调节输入电压Vg，输出电压出现变化电力电子技术焊接电路板的课程设计报告，但占空比不变化。既补偿器不起作用，闭环失败。 总结： 在此首先对何老师表示由衷的敬佩和感激。

NBA押注平台感谢何老师的耐心教导和讲解。使 我们学到了更多的知识。感谢何老师，在那么晚的时间仍然留在实验室，帮助我们解决 问题。 本次课程设计之所以失败，是因为我们没有完全的考虑到可能造成闭环失败的各 种原因。因一时之急而错失解决问题的机会。当遇到问题时，应该更多的去冷静分析问 题，找到问题的根源，再解决问题。 本次课程设计，是对我们所学课程的一次检验，更是一次实际应用。通过此次课 程设计，使我们对“电力电子技术”还有“自动控制原理”等课程有了更深入的了解。 使我们不单单局限于书本上的知识，使我们学会如何将理论知识与实际应用结合起来。 参考文献： 胡寿松.自动控制原理[M].北京.科学出版社,2007.6.14 附录： 所用MATLAB 程序代码如下： %syms marg_G AV1 AV2 R2 R3 R1 C1 C2 C3 clc; clear; Vg=20;L=1*10^-3;C=330*10^-6;fs=30*10^3;R=47;Vm=3.2;H=0.2 G0=tf([Vg*H/Vm],[L*C figure(1)margin(G0); fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C)); fg=(1/5)*fs; fz1=(1/2)*fp1; fz2=(1/2)*fp1; fp2=fs; fp3=fs; [marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi); marg_G=1/marg_G0; AV1=fz2/fg*marg_G; AV2=fp2/fg*marg_G; R2=10*10^3; R3=R2/AV2; C1=1/(2*pi*fz1*R2); C3=1/(2*pi*fp2*R3); C2=1/(2*pi*fp3*R2); R1=1/(2*pi*C3*fz1); num=conv([C1*R2 1],[(R1+R3)*C3 den1=conv([(C1+C2)*R10],[R3*C3 Gc=tf(num,den);figure(2) bode(Gc); G=series(Gc,G0); figure(3) margin(G)