基于PID控制方式的Buck电路的综合设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上基于PID控制方式的10A开关电源MATLAB仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化 班级：13电气卓越 姓名： 周沁 学号： 一、引言Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。二、设计指标输入直流电压(VIN)： 12V输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)： 10A输出电压纹波

2、(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。三、主电路参数设计1、 滤波电容参数的计算输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关：Rc= VrriL = Vrr0.2IN = 502 =25 m 因为C与Rc的乘机趋于常数，约为5080*F，本例中取为75*F，由式可得：Rc=25 m，C=3000F。2、 滤波电感参数的计算开关管闭合与导通的基尔霍夫电压方程分别为、式：VIN-VO-VL-VON= LiLTON VO+VL+VD= LiLTOFF 假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管的导通压降VON=0.5V，iL

3、=0.2IN=2。可得12-5-0.1-0.5=2LTON=6.45+0.1+0.5=2LTOF=5.6TON+TOFF=1f=10s TOFF=5.3sTON=4.7sL=14.84H图1 Buck变换器的主电路3、 用MATLAB软件仿真当L=15H时，MATLAB仿真如图2 所示，电流在9.049.14A之间脉动，符合iL0.2IN的要求。图2 电感电流四、原始回路的设计采用小信号模型分析法可得Buck变换器原始回路增益函数G0(s)为：G0(s)=1Vm·H(s)·VIN(1+sCRc)1+sLRL+s2LC 假设PWM锯齿波幅值Vm=1.5V，Rx=3k，Ry=1

4、.3k,由此可得：采样网络传递函数H(s)= VrefVO = 1.55 =0.3 原始回路直流增益A0(0)=1Vm·H(s) ·VIN=11.5×0.3×12=2.4其中RL=VOIN=510=0.5，将以上值带入 可得G0(s)=2.4(1+75×10-6)1+29.68×10-6s+4.45×10-8s2 由原始回路得到的波特图如图3所示，MATLAB程序如下：num1=0.00018 2.4; den1=0. 0. 1;figure(1); mag,phase,w=bode(

5、num1,den1); margin(mag,phase,w) 图3 原始回路的Bode图相位裕度：40.8°穿越频率：1.50e3Hz根据要求相位裕度应达到50°-55°穿越频率提升到（即10kHz-20kHz）均不满足，因此需提高其相位裕度，穿越频率。五、补偿网络的设计图4 PID补偿网络PID补偿网络的传递函数为 Gc(s)=Gcm1+sz(1+Ls)1+sp 其中，Gcm=-RfR1+R2 ,z=1R2C2 ,L=1RfCf ,p=R1+R2R1R2C2 为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率fc是开关fs的十分之一，

6、即fc = fs10 =10kHz假设选择的倒置零点的频率为穿越频率的二十分之一。即fL = fc20 =500Hz设相位裕度m=52°，则零点频率 fz= fc1-sinm1+sinm =10×1-sin52°1+sin52° =3.44kHz极点频率 fp= fc1+sinm1-sinm =10×1+sin52°1-sin52° =29.04kHz双重极点频率 fp0= p02 = 12LC =1214.84×10-6×3000×10-6 =0.754kHz直流增益 Gcm=fcfp021A

7、0(0)fzfp =100.43.4429.04 =25.22零点角频率 z=2fz=2×3.44=21.61kHz极点角频率 p=2fp=2×29.04=182.45kHz倒置零点角频率 L=2fL=2×500=3.14kHz可得补偿网络传递函数为 Gcs=25.221+s21.61K1+3.14Ks1+s182.46K =25.221+4.6×10-5ss+3140s+5.481×10-6s2 =1.16×10-3s2+28.75s+79191s+5.481×10-6s2根据PID补偿网络的传递函数得到的波特图如图5所示

8、，MATLAB程序如下：num=conv(0. 1,25.22 79191); den=0. 1 0;figure(1); mag,phase,w=bode(num,den); margin(mag,phase,w)图5 PID补偿网络Bode图用PID补偿网络作为控制器后，开环传递函数为G(s)= G0(s) Gcs 加上PID补偿网络后的波特图如图6所示，MATLAB程序如下：num1=0.00018 2.4; den1=0. 0. 1;g1=tf(num1,den1); num2= 0 .

9、00116 28.75 79191; den2=0. 1 0;  g2=tf(num2,den2);num3=conv(num1,num2);den3=conv(den1,den2);g3=tf(num3,den3);bode(g1,'*',g2,'-',g3,'-');图6 带有PID补偿网络的Bode图相位裕度：52°穿越频率：1.02e4Hz可知，经过校正，系统满足了要求指标。六、系统仿真图7 总系统图（负载扰动）图8 总系统图（电源扰动）图9 系统仿真图采用脉冲控制理想开关的通断

10、，观察系统突加突卸能力（负载扰动）：图10 突加突卸能力由于忽略了电容等效电阻，使得输出电压纹波极小，小于50mv，满足要求。系统在突加突卸80%负载的时候，电压约有0.2V的波动，恢复时间约为200s，效果并不很好。观察系统电源突加突卸能力（电源扰动）：图11电源扰动1图12 电源扰动七、小结 本次任务完成的很艰难，由于涉及到自动控制原理、电力电子技术、模电等知识，还特地去重新复习了一下相关知识。由此我发现只是书本上的只是还是不够的，我和同学讨论了很多问题，在考虑问题时候，既然认真计算每个细节，又要考虑整体的可行性，如主电路中电感的取值等等，会间接影响到最后系统的稳定性。如何正确的确定每个参数，是能否达到最优设计的关键。除此之外，此次课程设计还提高了我查阅资料的能力，有些知识并不能在现有书本上找到，需要自己去借阅图书，上网查找其他的学术文章作为参考。这次设计中最难的就是学习MATLAB软件的使用，网上下载了很多说明书，也询问了同学，才学到了一些皮毛，同时也粗略的了解了psim等其它仿真软件。这次的课程设计也为之后的毕业设计打下了一定的基础，我从中受益匪浅。参考文献1许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践J.电气电子教学学报.20082王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社.2