BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真

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Ui。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(huì)受到負(fù)載和外部的干擾，當(dāng)參加PID控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。可通過采樣環(huán)節(jié)得到PWM調(diào)制波，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比擬，通過PID控制器得到反應(yīng)信號，與三角波進(jìn)行比擬，得到調(diào)制后的開關(guān)波形，將其作為開關(guān)信號，從而實(shí)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(jì)2.1設(shè)計(jì)及內(nèi)容及要求1、輸入直流電壓(VIN)：15V 2、輸出電壓(VO)：5V 3、輸出電流(IN)：10A 4、輸出電壓紋波峰-峰值Vpp≤50mV 5、鋸齒波幅值Um=1.5V 6、開關(guān)頻率(fs)：100kHz 7、采樣網(wǎng)絡(luò)傳函H(s)=0.3 8、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2.2主電路設(shè)計(jì)根據(jù)以上的對課題的分析設(shè)計(jì)主電路如下：圖2-1主電路圖1、濾波電容的設(shè)計(jì)因?yàn)檩敵黾y波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)，〔1〕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50~80μ*ΩF[3]。在本課題中取為75μΩ*F，由式(1)可得RC=25mΩ，C=3000μF。2、濾波電感設(shè)計(jì)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〕(4)由上得：(5)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，可得TON=3.73μS，將此值回代式(5)，可得L=17.5μH3、占空比計(jì)算根據(jù)：(6)由上得：，可得TON=3.73μS，那么D=0.373三、BUCK變換器PID控制的參數(shù)設(shè)計(jì)PID控制是根據(jù)偏差的比例P)、積分I)、微分D)進(jìn)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(xiàng)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(gè)二階線性控制器，其優(yōu)點(diǎn)：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。3.1主電路傳遞函數(shù)分析圖3-1主電路〔1〕(2)原始回路增益函數(shù)為：(3)帶入數(shù)據(jù)得：3.2補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：(5)有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零點(diǎn)、三個(gè)極點(diǎn)。(6)(7)(8)(9)(10)零點(diǎn)為：,(11)極點(diǎn)為：為原點(diǎn)，，(12)頻率與之間的增益可近似為:在頻率與之間的增益那么可近似為：考慮到達(dá)抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取〔為開關(guān)頻率〕開環(huán)傳函的極點(diǎn)頻率為：(13)將兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)為開環(huán)傳函兩個(gè)相近極點(diǎn)頻率的，那么：。(14)將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)為以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。根據(jù)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：R1=1.964e+004歐姆R3=6.8214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-024s^5+1.504e-017s^4+4.728e-011s^3+3.18e-008s^2+0.0009004s/4.727e-011s^3+8.365e-007s^2+0.002975s+3補(bǔ)償器伯德圖為：圖4-1-1超前滯后校正器的伯德圖參加補(bǔ)償器后：圖4-1-2參加補(bǔ)償器后系統(tǒng)的伯德圖相角裕度和幅值裕度為：圖4-1-3參加補(bǔ)償器后系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度相角裕度到達(dá)172度，符合設(shè)計(jì)要求?！菜肕ATLAB程序見附錄〕四、BUCK變換器系統(tǒng)的仿真4.1仿真參數(shù)及過程描述仿真參數(shù)：G(s)=1.197e-024s^5+1.504e-017s^4+4.728e-011s^3+3.18e-008s^2+0.0009004s/4.727e-011s^3+8.365e-007s^2+0.002975s+34.2仿真模型圖及仿真結(jié)果圖4-2-1主電路仿真圖圖4-2-2仿真波形圖4-2-3加PID控制的仿真電路圖4-2-4仿真波形五、總結(jié)本設(shè)計(jì)論文完成了設(shè)計(jì)的根本要求詳盡的闡述了設(shè)計(jì)依據(jù)，工作原理表達(dá)，BUCK電路的設(shè)計(jì)，PID控制設(shè)計(jì)，傳遞函數(shù)參數(shù)計(jì)算，電路仿真。在進(jìn)行本設(shè)計(jì)論文撰寫時(shí)，我能夠積極的查閱資料，和別人討論，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(jìn)行了深入的闡述。我能夠認(rèn)真撰寫論文，對論文進(jìn)行進(jìn)一步的修改。深入研究課題所涉及的內(nèi)容，希望此設(shè)計(jì)能夠?qū)Φ竭_(dá)其預(yù)期的效果。由于時(shí)間和自身水平的限制，我所做的設(shè)計(jì)還有很多的缺乏之處。但通過這段時(shí)間以來的實(shí)踐，我也掌握了很多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。通過這次的課程設(shè)計(jì)，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(shí)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)中將是我的珍貴財(cái)富。程序clc;Clear;Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;G0=tf[Vg*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*10^3;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fzp2*R3);C2=1/(2*pi*fp3*R2);R1=1/(2*pi*C3*fz1);Num=conv([C1*R21],[(R2+