BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真

BUCKBUCK 电路闭环电路闭环 PIDPID 控制系统控制系统 的的 MATLABMATLAB 仿真仿真 一 课题简介一 课题简介 BUCK 电路是一种降压斩波器 降压变换器输出电压平均值 Uo 总是小于 输入电压 Ui 通常电感中的电流是否连续 取决于开关频率 滤波电感 L 和电容 C 的数值 简单的 BUCK 电路输出的电压不稳定 会受到负载和外部的干扰 当加 入 PID 控制器 实现闭环控制 可通过采样环节得到 PWM 调制波 再与基 准电压进行比较 通过 PID 控制器得到反馈信号 与三角波进行比较 得 到调制后的开关波形 将其作为开关信号 从而实现 BUCK 电路闭环 PID 控 制系统 二 二 BUCK 变换器主电路参数设计变换器主电路参数设计 2 1 设计及内容及要求设计及内容及要求 1 输入直流电压 VIN 15V 2 输出电压 VO 5V 3 输出电流 IN 10A 4 输出电压纹波峰 峰值 Vpp 50mV 5 锯齿波幅值 Um 1 5V 6 开关频率 fs 100kHz 7 采样网络传函 H s 0 3 8 BUCK 主电路二极管的通态压降 VD 0 5V 电感中的电阻压降 VL 0 1V 开关管导通压降VON 0 5V 滤波电容 C 与电解电容 RC 的乘积为 F 75 2 2 2 主电路设计主电路设计 根据以上的对课题的分析设计主电路如下 图 2 1 主电路图 1 滤波电容的设计 滤波电容的设计 因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关 1 rrrr C LN 0 2 VV R iI 电解电容生产厂商很少给出 ESR 但 C 与 RC的乘积趋于常数 约为 50 80 F 3 在本课题中取为 75 F 由式 1 可得 RC 25m C 3000 F 2 滤波电感设计滤波电感设计 开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式 2 3 所示 2 INOLONLON VVVVL iT 3 OLDLOFF VVVL iT 4 off 1 ons TTf 由上得 5 L inoLD on VVVV LT i 假设二极管的通态压降 VD 0 5V 电感中的电阻压降 VL 0 1V 开关 管导通压降 VON 0 5V 利用 可得 TON 3 73 S 将此值回代 ONOFFS 1TTf 式 5 可得 L 17 5 H 3 3 占空比计算 占空比计算 根据 6 on T D T 由上得 可得 TON 3 73 S 则 D 0 373 ONOFFS 1TTf 三 三 BUCK 变换器变换器 PID 控制的参数设计控制的参数设计 PID 控制是根据偏差的比例 P 积分 I 微分 D 进行控制 是控制系 统中应用最为广泛的一种控制规律 通过调整比例 积分和微分三项参数 使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能 PID 控制的本质是一个二阶线性控制器 其优点 1 技术纯熟 2 易 被人们熟悉和掌握 3 不需要建立数学模型 4 控制效果好 5 消除系 统稳定误差 3 1 主电路传递函数分析主电路传递函数分析 图 3 1 主电路 1 2 1 1 INC vd VsCR G L ss LC R 2 5 582 15 17 5 10 13 5 105 25 10 vd S G SS 原始回路增益函数为 0G 4 3 2 11 1 INC Omvd m VsCR GsGsH sGsH s L V ss LC R 带入数据得 53 0 582582 115 1 7 5 10 30 225 10 0 3 1 51 3 5 105 25 101 3 5 105 25 10 SS G SSSS 3 2 补偿环节的设计补偿环节的设计 补偿器的传递函数为 5 21133 212 11233 12 1 1 1 1 c sR Cs RR C G s R C C sR CCssR C CC 有源超前 滞后补偿网络有两个零点 三个极点 6 1 2 12 11 694 96 2 2 3 1417 5 3000 10 P P fHZ LC 7 0 6 11 2123 14 22 3 14 0 025 3000 10 Z C fHZ R C 8 10 0 750 75 694 96521 22 ZP ffHZ 9 20 20 694 96 2123 14 ZP PZ ffHZ ffHZ 10 3 100 50 22 S P f fKHZ 零点为 11 1 21 1 521 22 2 zfHZ R C 2 13313 11 694 96 22 zfHZ RR CR C 极点为 为原点 12 1pf2 33 1 2 pf R C 3 212 12 1 2 pf R C C CC 频率与之间的增益可近似为 1zf2zf 2 1 1 R AV R 在频率与之间的增益则可近似为 2pf3pf 2132 2 133 R RRR AV RRR 考虑达到抑制输出开关纹波的目的 增益交接频率取 为开关频率 100 20 55 fs fgKHZ sf 5 开环传函的极点频率为 oG s 13 1 2 12 11 694 96 2 2 3 1417 5 3000 10 P P fHZ LC 将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的 则 cG s oG s 1 2 14 1 2 11 12694 96347 48 22 pp fzfzf 将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开 cG s 23 100 PP fffsKHZ 关纹波 22 1 1 2 z cg g fR AVGjf fR 22 2 3 2 p cg g fR AVGjf fR 根据已知条件使用 MATLAB 程序算得校正器 Gc s 各元件的值如下 取 R2 10000 欧姆 H S 3 10 算得 R1 1 964e 004 欧姆 R3 6 8214 欧姆 C1 4 5826e 008F C2 1 5915e 011F C3 2 3332e 008F fz1 347 3046HZ fz2 347 3046HZ fp2 1000KHZ fp3 1000KHZ AV1 0 5091 AV2 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 s 4 727e 011s 3 8 365e 007s 2 0 s 3 补偿器伯德图为 6 图 4 1 1 超前滞后校正器的伯德图 加入补偿器后 7 图 4 1 2 加入补偿器后系统的伯德图 相角裕度和幅值裕度为 图 4 1 3 加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度 相角裕度到达 172 度 符合设计要求 所用 MATLAB 程序见附录 四 四 BUCK 变换器系统的仿真变换器系统的仿真 4 1 仿真参数及过程描述仿真参数及过程描述 仿真参数 3 0 582 30 225 10 13 5 105 25 10 S G SS G s 1 197e 024s 5 1 504e 017s 4 4 728e 011s 3 3 18e 008s 2 0 s 4 727e 011s 3 8 365e 007s 2 0 s 3 8 4 2 仿真模型图及仿真结果仿真模型图及仿真结果 图 4 2 1 主电路仿真图 图 4 2 2 仿真波形 9 图 4 2 3 加 PID 控制的仿真电路 图 4 2 4 仿真波形 10 五 总结五 总结 本设计论文完成了设计的基本要求详尽的阐述了设计依据 工作原理叙述 BUCK 电路的设计 PID 控制设计 传递函数参数计算 电路仿真 在进行本设计论文撰写时 我能够积极的查阅资料 和别人讨论 积极的 采纳别人的意见 对电路的工作原理 参数的基数过程 所用器件的选择都进 行了深入的阐述 我能够认真撰写论文 对论文进行进一步的修改 深入研究课题所涉及的 内容 希望此设计能够对达到其预期的效果 由于时间和自身水平的限制 我所做的设计还有很多的不足之处 但通过 这段时间以来的实践 我也掌握了很多的经验和教训 通过这次的课程设计 我了解到怎样把自己在书本上学习到的知识应用到 实际的工作之中 也学到很多待人处事的道理 想这在我以后的工作和学习中 将是我的宝贵财富 程序程序 clc Clear Vg L C fs R Vm H G0 tf Vg H L C Figure 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 fz