BUCK电路PID控制器设计及仿真

1、BUCK电路PID控制器设计及仿真本文在BUCK!路传递函数的基础上对 BUCKI路的开环特性进行了分析，并 利用MATLAB勺SISOTOOIX具箱设计了 PID控制器，然后用以运放为核心搭建了 PID控制器硬件电路，最后在 PSIM上对BUCK电路进行闭环仿真。1.设计指标输入直流电压(Vi n) : 28V输出电压(Vo) : 15V基准电压(Vref) : 5V开关频率(fs) : 100kHz三角载波峰峰值：Vm=4V图1为Buck变换器主电路，元件参数如图所示:图1 buck变换器主电路2. PID控制器设计2 .1原始系统分析BUCK变换器构成的负反馈控制系统如图 3.1所示:为

2、PWM脉宽调制器的 是误差信号至控制量图2 BUCK变换器闭环系统其中为占空比至输出电压的传递函数，传递函数，表示反馈分压网络的传递函数，的传递函数，为补偿网络的传递函数。本系统中，PWM调制器的传递函数为：Gm=鶉=V式中， 为PWM调制器中锯齿波的幅值。 反馈分压网络的传递函数为：占空比至输出电压的传递函数为:将参数代入式(3)可得,对于BUC变换器系统，其回路增益函数式中,将式子(1)、为未加补偿网络时的回路增益函数，称为原始回路增益函数,(2)、(4)可得本系统中原始回路增益函数 ()根据式(7)可做出系统原始回路增益函数波特图如图 3所示：图3原始回路增益函数波特图从图3中可以看出穿

3、越频率为fc=1.82kHz，相位裕度为书m=4.72deg,从表 面上看，系统是稳定的，但是如果系统中的参数发生变化，系统可能会变得不稳定；另外穿越频率太低，系统的响应速度很慢。所以，要设计一个合理的补偿网 络是系统能够稳定工作。2 .2 PID控制器设计原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。为此，我们可以给系统 加入一个PD控制器提高相位裕度太低和穿越频率。另外为了使系统在远低于穿 越频率下工作时有更好的调节性能，我们可以对系统进行PI调节。因此，需要设计一个PID控制器对系统进行调节。使用 MATLABI勺SISOTOO工具箱设计好 的PID控制器及其传递函数分别如图4和图5所示

4、，回路增益函数波特图如图 所示。Comp«i-HjblQr(1 +(1 4cv ii-giran；cle/Z-Bros fl + 1-1fr-05slEdit Selected Djnainic-s图4 PID控制器设计Bode Diagram45图5 PID控制器波特图Typeloceitioninfj Fregu e.,.Redl Zero+1I 74珀应Pul* 丹4 7” 04114.7-10ZrfL -a+1DMRight-click to add cr dele'e poles/zerosAHjbh I - >ili» *41rlwi d|Hii

5、L«jii>p 11;EM- 1 j图6回路增益函数波特图从图6中可看到加入PID调节器后系统的相位裕度提高到了47.7deg，穿越频率提高到了 5.19kHz。3.系统仿真3.1 PID控制器硬件设计本系统采用如图7所示的基于运算放大器的PID控制器，其传递函数为 ()V1（s） R3C2R2*A a,ljaaI IAIS A AJVTef（s）&c R10、 Vc（sj图7基于运算放大器的 PID控制器传递函数有两个零点和极点：零点,；极点,高频部分增益由和 来定，即时补偿网络增益为/取Q ,则根据图4所示PID控制器的传递函数及图5所示波特图可计算得Q ,Q ,(

6、1 ,(1 o3.2系统仿真根据已知参数及设计好的PID控制器在PSIM上搭建仿真模型，如图8所示yjV3巴 V/p2I 卜图8系统仿真模型 仿真输出电压曲线如图9所示Vo25201510V00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02Time (s)图9输出电压曲线从图9可知，系统具有很好的快速性，输出电压很快就稳定在设定值上，但也可看到，系统的超调量很大，具有将近60%勺超调量。为了减小超调，可以设计一个软启动电路，使输出电压超调减小，在此，设计的软启动电路在00.001s 之间让开关管PWM占空比从0线性连续上升到62.5%, 0.001s之后切换到PID 反馈电路进行控制，如图10所示。VIWVJE>图10加入软启动电路的仿真模型加入软启动电路后输出电压曲线如图 11所示：Vo图ii加入软启动电路后输出电压曲线从图就中可见，系统超调量较没加软启动电路之前小了很多， 超调量约为13%在0.006s时加一个2V的电压扰动，在0.012s给系统加如一个10%勺电流扰 动，得到的输出电压曲线如图12所示。Vo图12加入扰动后输出电