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国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术

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使用仿真软件造型巴克直流-直流转换器

Mahesh高达N M1,Yadu Kiran2博士。年代Parthasarthy3
  1. 助理教授,电子系&沟通、PES工程学院Mandya,卡纳塔克邦,印度
  2. B。E学者,电气和电子、体育工程学院,Mandya,卡纳塔克邦,印度
  3. 教授,电气和电子、体育工程学院,Mandya,卡纳塔克邦,印度
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文摘

摘要Buck变换器的数学模型模拟使用没有任何Sim电力系统仿真软件元素。我们也解释了如何使用Matlab优化工具来获得更好的上升时间、沉降时间和峰值超调。

关键字
巴克转换器,传递函数、PID控制器、脉冲宽度调制(PWM),责任周期,Matlab仿真软件。

我的介绍。
开关直流-直流转换器是最简单的一些电力电子电路这一层的电电压转换成另一个层面通过切换操作。这些转换器已经收到在许多领域越来越感兴趣的交易。这是由于其广泛的应用,比如电源为个人电脑、办公设备、家电控制、电信设备、直流电机驱动,汽车、飞机等的分析、设计、控制和稳定的切换转换器是需要考虑的主要因素[1]。许多控制方法用于控制开关模式电源转换器和结构简单、低成本控制器总是大多数工业和高性能应用程序的需求[2]。每个控制方法都有自己的优点和缺点,和它的有效性取决于应用程序的应用。
无论是设计自己的产品或者只是在尝试不同的算法和设计,模拟运行实际的物理实现之前是强制性的。各种工具可用于构建和模拟电子和电子电路,包括数学SimPowerSystems工作。然而,一些可能没有访问这些工具和套房。可以规避这代表系统数学模型的形式。因此,在本文中,我们说明了如何使用最基本的Buck变换器建模仿真软件,同时还提供其他工具一样的精确度。本文解释了模型的工作和它的每个子系统。
第三节中,简要概述操作的一个典型的直流-直流巴克转换器。第四节所得解释Buck变换器的仿真软件模型及其各种子系统。节V,模拟运行及其结果的细节进行了讨论。在第六部分,我们给我们关闭评论。

2相关工作
几种控制策略和数学模型已经开发的研究。托拜厄斯盖尔、GeorgiosPapafotiou和罗伯托·Frasca提出了建模和控制种方法固定频率switchmode直流-直流转换器通过使用混合systemsmethodologies formulatinga约束最优控制问题[2]。Ned Mohan W.P.罗宾斯,T.M.Undeland, r .来自橄榄莫是最早提出的模拟电力电子与运动控制系统[6]。已经取得了巨大的成就将软计算技术,如模糊逻辑、遗传算法等,在控制策略。也有大量的出版物在调优Buck变换器的PID控制器的方法。

三世。巴克转换器的工作原理
图像
图1显示了电压的电路配置下台直升机将不受监管的直流转换为直流稳压。直升机是由MOSFET的打开和关闭在一个较高的开关频率。图2显示了输出电压和电流波形的直升机。
图像
当打开MOSFET,电压Vin应用于整个功率二极管反向。因此二极管必须远离只要MOSFET仍在。MOSFET的国家总是意味着二极管的关闭状态。MOSFET打开,当前ILbeings建立。IL出现指数级的增长由于电感l . MOSFET吨保存在一个时间间隔,间隔设备和关闭。在即时MOSFET是关闭的,有一个有限值(IP1),这是输出电流的峰值在第一次斩波周期。这个峰值电流发生在MOSFET的即时关闭。电感L的存在阻止IL的突然下降为零。IL的衰退导致一个感应电压在电感L迪勒/ dt出现。因为这个电压,二极管正向偏压,使电流继续和衰减指数。“自由”一词通常用来描述当前的流动以这种方式没有电压源的援助,但仅仅由于电感储存能量。 The purpose of the diode is to provide the free-wheeling path for the MOSFET when it is turned OFF. Therefore, the diode automatically turns ON at the instant the MOSFET switches off due to the presence of an inductance with stored energy. The decay of IL continues as long as MOSFET remains OFF, that is, for a duration TOFF. The lowest value to which the current falls at the end of the first chopper cycle is labelled as the valley magnitude IV1 in Figure 2. The second chopper switching cycle commences when MOSFET is turned ON again at the end of the first TOFF, and the current again starts to build up. Due to the initial current IV1, the second peak IP2 will be larger than IP1. Consequently, the valley magnitude IV2 at the end of the second cycle will also be larger than IV1. In this way, as the switching progresses, both the peak and valley magnitudes progressively increase. After several cycles, the difference between successive cycles becomes negligibly small. We say that the circuit conditions have reached steady state [3,4]. This means that the peak current is effectively the same in successive cycles. A similar statement is true for the valley current. The relation between the input voltage (Vin), output voltage (Vout) and duty cycle (D) is given by:
图像

连续和不连续电流模式
如果电感的值降至临界点,谷电流衰减,最后会成为零的工作周期。进一步降低L将导致电流降至零之前完成的直升机。当前建立的初始零值在吨在下斩波周期。这个操作的直升机被称为负载电流断续模式。如果当前是零的直升机,这架直升机是在连续负载电流模式下操作。这是通过适当选择斩波开关频率或电感值,或两者兼而有之。
图像

IV.MODELLING在仿真软件
Buck变换器的仿真软件模型如图4所示。模型包括三个常数模块由用户设定,即:输入电压(Vin),参考输出电压(Vref)和负载电阻(Ro)。
除了主要的输入参数,模型由两个子系统,即:-
一个¯‚·PWM发生器:这个子系统接受责任循环小数形式从控制器和输出所需的相应的责任周期的PWM波形。
¯‚·巴克转换器:这个子系统包括所有巴克转换器的块模型的数学形式和生成的输出电压和电流波形根据其输入。
图像

答:PWM波形发生器子系统
这个块负责产生PWM脉冲的不同的工作周期。已经解释了,电路有两个操作条件,义务间隔(吨)当直升机开关和自由旋转模式(花花公子)。模拟开关时这两个条件在同一模型中,可以使用开关块。然而,PWM脉冲更容易实现,而且更方便我们的数学模型,特别是在一个控制器的闭环系统。两个子系统的输入:
•工作循环小数形式从控制器。
•切换频率Fs,面具作为参数,如图5所示。
图像
图6显示了子系统的输出波形为一个常数0.6工作周期。重复序列块(波形图6中1)插入和配置为输出锯齿波形时间值(0 1 / fs)和输出值(0 - 1)。这个波形的大小中减去的工作周期(十进制值)产生的镜像版本锯齿波形的振幅范围从D D 1。这个波形(波形图6中2)具有积极价值时所需的脉宽调制信号是高的和一个负值的PWM脉冲很低。这一事实是利用生成PWM脉冲通过使用继电器块被配置为开关(输出= 1),在零交叉(输出= 0)。由此产生的波形(波形图6中3)的PWM信号所需的工作周期。
图像

b . Buck变换器子系统
这个子系统执行几乎所有的计算产生输出电压和负载电流波形。输入子系统的输入电压、占空比和负载电流。此外,以下值需要声明为蒙面参数:电感(L),电感串联电阻(RL)、电容(C),电容串联电阻(Rc)。面具下面是实际的实现如图7所示:
图像
子系统主要包含两个循环,本质上是微分方程提供电感电流和输出电压。
如上所述的原则操作,操作的Buck变换器电路有两种模式:
1。义务间隔期间,斩波开关关闭,输入电压源负载应用。
2。自由旋转间隔期间,开关打开,输入电压源被切断的负载。
要实现此模型形式,我们把输入电压Vin PWM波形。结果就是输入电压PWM波形时在任一瞬间方程中包含高(Vin×1 = Vin)和省略时低(Vin×0 = 0)。
第一个循环负责计算电感电流通过求解微分方程得到在任一瞬间应用到图1所示。
图像

c . PID控制器
默认的PID控制器模型块用于生成所需的工作周期以十进制形式(如45%工作周期= 0.45)基于误差信号。P,我,和D参数可以手动输入或在某种程度上可以通过调优使用Matlab提供的工具,也为进一步的分析提供了波德图。然而,试图运行优化工具将导致一个线性化误差的转发路径控制回路中渗流为零在某些点由于PWM逻辑。绕过,巴克转换器需要建模作为一个传递函数允许自动调优。
图像
图像
调整P,我和D参数可以取代在主模型。由于数据可以导出到工作区,一个是自由地实现自己的模糊逻辑控制算法,在Matlab神经网络工具箱或其他计算技术。

诉验证
巴克转换器的模拟运行进行了表1中指定的设计参数。
图像
P,我和D值是通过使用Matlab提供的调试工具的传递函数模型,如图8所示,然后在主模型代替。
图像
模拟操作条件的变化可能发生在实际实现中,输入电压加大25 V的形式一个脉冲之间的时间瞬间0.003到0.006,看看控制器维护所需的输出电压18 V。获得的响应,如图9所示。
图像
输出电压上升到18.8 V时,输入电压上升到25 V,然后恢复到18 V 0.4毫秒之内。同样,当输入电压恢复正常时,一个小波纹的输出电压和电流落定之前回到稳定状态。从这个模型获得的波形是几乎相同的Buck变换器建模使用SimPowerSystems只有一些小偏差出现在电感电流。

六。结论
在本文中,我们提供了一个简短的概述巴克直流-直流转换器的操作,然后说明另一种模式转换器的方法只使用仿真软件模块,而不需要任何SimPowerSystems。从系统的数学模型推导出方程并提供Buck变换器的一个精确的表示。系统的传递函数还讨论了以允许使用Matlab提供的控制器优化工具。一个是免费替换默认PID块用自己的算法。

引用
  1. SujataVerma, S。K辛格和A.G. Rao概述直流-直流转换器的控制技术,研究杂志》上的工程科学,2卷,2013年8月,Pg没有21页。
  2. 托拜厄斯盖尔,GeorgiosPapafotiou曼弗雷德·莫拉里,约束的最优控制降压直流-直流转换器,IEEE电力电子,23卷,2008年9月5号
  3. 默罕默德·h·拉希德,电力电子:电路、设备和应用程序,第三版,皮尔森。
  4. 约瑟夫•Vithayathil电力电子:原理与应用,麦格劳希尔
  5. 年代。Augustilindiya, S。蒂,K。Vijayarekha和M。BreethiYeltsina,进化算法的硬件实现辅助数字PID控制器对直流-直流转换器,工程和技术的国际期刊,卷5 4号Aug-Sep 2013
  6. Ned Mohan W.P. Robbins和T.M.Undeland, r .来自橄榄莫:“电力电子与运动控制系统仿真”;《IEEE, Vol.82,八号,1994年8月,页1287 - 1292