零基础学习simulink--DC-DC 双向 Buck-Boost 转换器仿真实例

目录

DC-DC 双向 Buck-Boost 转换器仿真实例

目标

环境准备

步骤一：创建新的 Simulink 模型

步骤二：添加必要的模块

步骤三：连接模块

步骤四：设置仿真参数

步骤五：配置 PI 控制器

步骤六：运行仿真并观察结果

示例模型图

步骤七：优化和调整

结语

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通过一个详细的 Simulink DC-DC 电源仿真实例来展示如何设计和仿真一个带有反馈控制的双向 Buck-Boost 转换器。双向 Buck-Boost 转换器可以在升压和降压模式之间切换，适用于需要双向能量流动的应用场景，如电池管理系统。

DC-DC 双向 Buck-Boost 转换器仿真实例

目标

• 使用 Simulink 模拟一个带有反馈控制的 DC-DC 双向 Buck-Boost 转换器。
• 观察输入电压、输出电压和电流的变化。
• 调整控制器参数以优化性能。

环境准备

• 软件：MATLAB 和 Simulink（推荐版本 R2021a 及以上）。
• 硬件：一台安装了 MATLAB 和 Simulink 的计算机。

步骤一：创建新的 Simulink 模型

1. 打开 MATLAB。
2. 点击主页选项卡中的“新建”按钮，选择“模型”（Model）。
3. 新建一个空白的 Simulink 模型。

步骤二：添加必要的模块

1. 电源模块：

   • 从 Simulink 库浏览器中，找到“Simscape” -> “Electrical” -> “Specialized Power Systems” -> “Sources” -> “DC Voltage Source”。
   • 将其拖动到模型中，设置输入电压为 12V。

2. 双向 Buck-Boost 转换器模块：

   • 由于 Simscape 库中没有现成的双向 Buck-Boost 转换器模块，我们需要手动构建电路。
   • 添加以下模块：
     • 两个电感（Inductor）
     • 两个电容（Capacitor）
     • 四个二极管（Diode）
     • 两个开关（Switch）

3. 负载电阻：

   • 从 Simulink 库浏览器中，找到“Simscape” -> “Electrical” -> “Specialized Power Systems” -> “Elements” -> “Resistor”。
   • 将其拖动到模型中，设置阻值为 10Ω。

4. 开关控制模块：

   • 从 Simulink 库浏览器中，找到“Simscape” -> “Electrical” -> “Specialized Power Systems” -> “Control and Measurements” -> “PWM Generator (Two-Level)”。
   • 将其拖动到模型中，设置脉冲频率为 50kHz。

5. 电压和电流测量模块：

   • 从 Simulink 库浏览器中，找到“Simscape” -> “Electrical” -> “Specialized Power Systems” -> “Measurements” -> “Voltage Measurement” 和 “Current Measurement”。
   • 将其拖动到模型中，分别测量输入电压、输出电压和输出电流。

6. 示波器模块：

   • 从 Simulink 库浏览器中，找到“Sinks” -> “Scope”。
   • 将其拖动到模型中，用于观察电压和电流的变化。

7. 反馈控制模块：

   • 从 Simulink 库浏览器中，找到“Continuous” -> “PI Controller”。
   • 将其拖动到模型中，用于控制双向 Buck-Boost 转换器的占空比。

步骤三：连接模块

1. 连接电源模块和双向 Buck-Boost 转换器：

   • 将 DC Voltage Source 的输出端连接到第一个电感的一端。
   • 第一个电感的另一端连接到第一个二极管的阴极和第一个开关的一端。
   • 第一个二极管的阳极连接到第一个电容的一端和负载电阻的一端。
   • 第一个电容的另一端连接到第二个电感的一端和第二个二极管的阳极。
   • 第二个电感的另一端连接到第二个开关的一端和第二个二极管的阴极。
   • 第二个二极管的阳极连接到负载电阻的另一端和地。

2. 连接开关控制模块：

   • 将 PWM Generator (Two-Level) 的输出端连接到第一个和第二个开关的控制端。

3. 连接测量模块：

   • 将 Voltage Measurement 模块连接到输入电压和输出电压的测量点。
   • 将 Current Measurement 模块连接到输出电流的测量点。

4. 连接示波器模块：

   • 将 Voltage Measurement 和 Current Measurement 模块的输出端连接到 Scope 的输入端。

5. 连接反馈控制模块：

   • 将输出电压测量模块的输出连接到 PI Controller 的输入端。
   • 将 PI Controller 的输出连接到 PWM Generator (Two-Level) 的输入端。

步骤四：设置仿真参数

1. 设置仿真时间：

   • 在 Simulink 主窗口中，点击“Simulation” -> “Model Configuration Parameters”。
   • 设置仿真停止时间为 0.1 秒。

2. 设置步长：

   • 在“Solver”选项卡中，选择固定步长求解器（Fixed-step solver），例如 ode23tb。
   • 设置固定步长为 1e-6 秒。

步骤五：配置 PI 控制器

1. 双击 PI Controller 模块：

   • 设置 PI 控制器的参数，例如比例增益（Kp）和积分增益（Ki）。
   • 初始设置可以为 Kp = 100, Ki = 1000，然后根据仿真结果进行调整。

2. 设置参考电压：

   • 在 PI Controller 模块的输入端添加一个 Constant 模块，设置其值为期望的输出电压（例如 24V）。

步骤六：运行仿真并观察结果

1. 运行仿真：

   • 点击 Simulink 工具栏上的“Run”按钮，开始仿真。

2. 观察结果：

   • 双击示波器模块，观察输入电压、输出电压和输出电流的变化。
   • 调整 PI 控制器的参数，观察对输出电压和电流的影响。

示例模型图

以下是完整的 Simulink 模型图示例：

plaintext

深色版本

+-------------------+
| DC Voltage Source  |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Inductor L1       |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Diode D1 (Anode)  |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Capacitor C1      |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Resistor R1       |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Capacitor C2      |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Inductor L2       |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Diode D2 (Cathode)|
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Switch S1         |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Switch S2         |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| PWM Generator (Two-Level)|
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Switch Control    |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Voltage Measurement|
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| PI Controller     |
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| PWM Generator (Two-Level)|
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Voltage Measurement|
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Current Measurement|
+-------------------+
          |
          v
+-------------------+
| Scope             |
+-------------------+

步骤七：优化和调整

1. 调整 PI 参数：

   • 修改 PI Controller 的 Kp 和 Ki 参数，观察输出电压的变化。
   • 通过调整这些参数，可以使输出电压稳定在所需的值。

2. 调整负载电阻：

   • 修改 Resistor 的阻值，观察输出电压和电流的变化。
   • 通过调整负载电阻，可以模拟不同的负载条件。

3. 增加扰动：

   • 在输入电压或负载电阻上增加扰动，观察系统的响应。
   • 这有助于评估系统的鲁棒性和稳定性。

结语

通过以上步骤，你应该能够建立一个带有 PI 控制器的 DC-DC 双向 Buck-Boost 转换器仿真模型，并观察其性能。Simulink 提供了丰富的工具和模块，可以帮助你进一步优化和调整仿真模型。