BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真..

1、BUCK電路閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的MATLAB仿真一、課題簡介BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸入電壓山。通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。簡單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會受到負載和外部的干擾，當(dāng)加入PID控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制?？赏ㄟ^采樣環(huán)節(jié)得到PWM調(diào)制波，再與基準(zhǔn)電壓進行比較，通過PID控制器得到反饋信號，與三角波進行比較，得到調(diào)制后的開關(guān)波形，將其作為開關(guān)信號，從而實現(xiàn)BUCK電路閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。二、BUCK變換器主電路參數(shù)設(shè)計2.1設(shè)計及內(nèi)容及要求1、輸入直流電壓(VIN)：15V2、輸出電壓(VO)：5V3、

2、輸出電流(IN)：10A4、輸出電壓紋波峰-峰值VppW50mV5、鋸齒波幅值Um=1.5V6、開關(guān)頻率(fs)：100kHz7、采樣網(wǎng)絡(luò)傳函H(s)=0.38、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V，濾波電容C與電解電容RC的乘積為75卩0*F22主電路設(shè)計根據(jù)以上的對課題的分析設(shè)計主電路如下:V111圖2-1主電路圖1、濾波電容的設(shè)計因為輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)，V_VRrrrrCAi0.21(I)LN電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，但C與RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080“*QF3。在本課題中取為75“Q

3、*F,由式可得RC=25mQ，C=3000“F。2、濾波電感設(shè)計開關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程分別如式(2)、(3)所示:(2)(3)V-V-V-VLAi/TINOLONLONV+V+VLAi/TOLDLOFFT+T1/foffons由上得：T，V-V-V-VLTinoLDonAiL假設(shè)二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V,開關(guān)管導(dǎo)通壓降Von=0.5V。利用t+T-1f，可得TON=3.73“S，將此值回代式ONONOFFSON(5)，可得L=17.5“H3、占空比計算根據(jù)：D=-onT由上得：t+T=1f，可得ToN=3.73aS，則D=0.373ONOF

4、FS三、BUCK變換器PID控制的參數(shù)設(shè)計PID控制是根據(jù)偏差的比例P）、積分I）、微分D）進行控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。通過調(diào)整比例、積分和微分三項參數(shù)，使得大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。PID控制的本質(zhì)是一個二階線性控制器，其優(yōu)點：1、技術(shù)純熟；2、易被人們熟悉和掌握；3、不需要建立數(shù)學(xué)模型；4、控制效果好；5、消除系統(tǒng)穩(wěn)定誤差。31主電路傳遞函數(shù)分析電源輸入圖3-1主電路vdV(1+sCR)INC1+s+s2LCR(1)vd15(1+7.5x10-5S)1+3.5x10-5S+5.25x10-8S214原始回路增益函數(shù)G°為:G(s)=G(s)H

5、(s)G(s)=1OvdV(1+sCR)INC,、L1+s+s2LCR帶入數(shù)據(jù)得：15(1+7.5x10-5S)G0=0.3X15X1+3.5x10-5S+5.25x10-8S23+0.225x10-3S1+3.5x10-5S+5.25x10-8S23.2補償環(huán)節(jié)的設(shè)計補償器的傳遞函數(shù)為：(1+sRC)1+s(R+21Rc1CsR(C+C)(1+sc21c112c+cR)C3-亠)(13sRC)33(5)12有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個零點、三個極點。P1,P224C2x3.14X、:'17.5x3000x10-12二694.96HZ(6)零點為：1=2123.14HZz02兀RC2x

6、3.14x0.025x3000x10-6Cf=0.75f=0.75x694.96二521.22HZZ1P0=f=694.96HZZ2P0=f=2123.14HZP2Z0c=fs=100=50KHZP322fz1=521.2HZ，f=玄+R)c3=2jiRC31=694.9HZ(7)(8)(9)(10)(11)極點為：fp1為原點，fp2=2兀rc(12)=RR1在頻率fp2與fp3之間的增益則可近似為：AV頻率fz1與fz2之間的增益可近似為：AV1R(R+R)R=2、1£沁2R1+R3R3考慮達到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取fg=f=罟=20KHZ(fs為開關(guān)頻率)開環(huán)傳

7、函Go(s)的極點頻率為:P1，p22nLC2x3.14x17.5x3000x10-12二694.96HZ(13)將Gc(s)兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳函Go(s)兩個相近極點頻率的丄，則:2(14)fz1=fz2=1f=-x694.96=347.48。2p1,p22將補償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)兩個極點設(shè)為：二fp3=fs=100KHZ以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。AVi=fz2G(j2nf)=R2fC7JgdRg1AV2=fGc(j2-f)=RfgR3根據(jù)已知條件使用MATLAB程序算得校正器Gc(s)各元件的值如下：取R2=10000歐姆H(S)=3/10算得：Rl=1.964e+004歐姆R3=6.

8、8214歐姆C1=4.5826e-008FC2=1.5915e-011FC3=2.3332e-008Ffz1=347.3046HZfz2=347.3046HZfp2=1000KHZfp3=1000KHZAV1=0.5091AV2=1.4660e+003由(2)(3)式得：G(s)=1.197e-024sA5+1.504e-017sA4+4.728e-011sA3+3.18e-008sA2+0.0009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+3補償器伯德圖為：BodeDuagrarnECffi-pjBp是UBW戈嘰ZLLL1C10S2日！1D1010

9、10sFrejjsrcv(rndfcccli*3g101010ia6圖4-1-1超前滯后校正器的伯德圖加入補償器后:BaceDigramGm=nfdB(atIntrad/sez：).Pm=172degart2.56e0O5rsdfsec)0ffi-3epnwBms50n-5o4-1山黑上_LLo102341D10C；T5101010io510sFreo；uency(rsdfeec)圖4-1-2加入補償器后系統(tǒng)的伯德圖相角裕度和幅值裕度為：BodeDiagramGm=InidB(atInfrad/sec),Pm=172deg(at2.56e+005rad/sec圖4-1-3加入補償器后系統(tǒng)的相角

10、裕度和幅值裕度相角裕度到達172度，符合設(shè)計要求。（所用MATLAB程序見附錄）四、BUCK變換器系統(tǒng)的仿真41仿真參數(shù)及過程描述仿真參數(shù):3+0.225x10-3S1+3.5x10-5S+5.25x10-8S2G(s)=1.197e-024sA5+1.504e-017sA4+4.728e-011sA3+3.18e-008sA2+0.0009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+342仿真模型圖及仿真結(jié)果3-ChdiTi)WOfkSpdCeZh.l_Rr>TqWoriopmStDpePulseE-ZDCValtacieSourceSerie

11、sRLCBranchSeriesRLE：Branchi圖4-2-1主電路仿真圖CurrentsssVoltapeyasursnientyli.lortepacel圖4-2-2仿真波形2-FkcriiiEMuiibril?:沁TlWlfcnaEL!IU1Pits6ihilJlui宅:UuJial1R-二|+Tii.lc呀憨4TdJTt釘血幀鈕IOH曲汕rutrttfFB*i圖4-2-3加PID控制的仿真電路五、總結(jié)本設(shè)計論文完成了設(shè)計的基本要求詳盡的闡述了設(shè)計依據(jù)，工作原理敘述，BUCK電路的設(shè)計，PID控制設(shè)計，傳遞函數(shù)參數(shù)計算，電路仿真。在進行本設(shè)計論文撰寫時，我能夠積極的查閱資料，和別人討

12、論，積極的采納別人的意見。對電路的工作原理、參數(shù)的基數(shù)過程，所用器件的選擇都進行了深入的闡述。我能夠認真撰寫論文，對論文進行進一步的修改。深入研究課題所涉及的內(nèi)容，希望此設(shè)計能夠?qū)_到其預(yù)期的效果。由于時間和自身水平的限制，我所做的設(shè)計還有很多的不足之處。但通過這段時間以來的實踐，我也掌握了很多的經(jīng)驗和教訓(xùn)。通過這次的課程設(shè)計，我了解到怎樣把自己在書本上學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實際的工作之中，也學(xué)到很多待人處事的道理，想這在我以后的工作和學(xué)習(xí)中將是我的寶貴財富。程序clc;Clear;Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;G0=tfVg*H,L*CFigure(1)Margin(G0)fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C);Fg(1/2)*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人3;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fzp2*R