BUCK电路闭环控制系统的 MATLAB仿真

1、东北石油大学MATLAB电气应用训练课程MATLAB电气应用训练题目BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气二12-1学生姓名沈洋学生学号120603120102指导教师李宏玉刘超MATLAB电气应用训练任务书课程MATLAB电气应用训练题目BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真专业电气二12-1姓名沈洋学号120603120102主要内容：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，

2、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。基本要求：1、输入直流电压（VIN）:15V2、 输出电压（VO）:5V3、 输出电流（IN）:10A4、输出电压纹波峰-峰值Vpp<50mV5、锯齿波幅值Um=1.5V6、开关频率（fs）:100kHz7、采样网络传函H（s）=0.38、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

3、积为75F主要参考资料：1新型单片开关电源设计与应用技术沙占友北京：电子工业出版社，20042新型开关电源使用技术王英剑等电子工业出版社，19993新型开关电源设计与应用何希才科学出版社，20014新型开关电源设计与维修何希才国防工业出版社，20015电力电子应用技术的MATLAB仿真林飞，中国电力出版社，2009完成期限2014.2.242014.3.7指导教师李宏玉刘超专业负责人2014年2月24日1 任务和要求12 BUCK变换器主电路参数设计2.2.1 主电路设计2.3 BUCK变换器PID控制的参数设计1.3.1 主电路传递函数分析23.2 补偿环节的设计24 BUCK变换器系统的仿

4、真2.4.1 仿真参数及过程描述错误.!未定义书签。4.2 仿真模型图及仿真结果6.5 设计总结错误.!未定义书签。参考文献9.1任务和要求1、输入直流电压（VIN）:15V2、 输出电压（VO）:5V3、输出电流（IN）:10A4、输出电压纹波峰-峰值Vpp<50mV5、锯齿波幅值Um=1.5V6、开关频率（fs）:100kHz7、采样网络传函H（s）=0.38、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75F2BUCK变换器主电路参数设计2.1 主电路设计根据以上的对课题的分析设计主电

5、路如下:图2-1主电路图1、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,RcVrriLVrr0.2In(D电解电容生产厂商很少给出ESR,!C与RC的乘积趋于常数，约为5080-QF3在本课题中取为75peF,由式（1）可得RC=25m,C=3000nF。2、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：Vo VlVdToffTon1/VINVO VL VONL iL /TOFF(3)fsL dTon(2)由上得:Vo Vl VdiLVL=0.1V ,开关管导通压降D根据：TonT (6)(5)假设二极管的通态压降VD=0.5V,电感中的电阻压降

6、VON=0.5V。利用TonToff1"S,可得TON=3.73pS,将此值回代式（5）,可得L=17.5出3、占空比计算由上得：Ton开关变换据电源输入in依荷设莘信qGc(s) *门帔驱动11TOFF1/fs,可得TON=3.73Q,则D=0.3733 BUCK变换器PID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，具优点：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

7、果好；5、消除系统稳定误差。3.1 主电路传递函数分析图3-1主电路GvdVin1SCRc1sS2LC(1)Gvd15(17.5105S)13.5105S5.25108S2原始回路增益函数G0为:Go(s)Gm(s)?H(s)?Gvd(s)?HVmVIN1sCRC(s)?N.1sLs2LCR带入数据得:-1Go0.31.515(17.5105S)30.225103S13.5105S5.25108S213.5105S5.25108S23.2补偿环节的设计补偿器的传递函数为:Gc(s)(1sR2Ci)1s(RiR3)C3sRi(CiC2)(1R2cle2s0212)(1sR3c3)C1C2有源超前

8、-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。fP1,P22JLC23.14,17.5300010=694.96HZ12(6)fZ012QC123.140.0253000102123.14HZfZ10.75fP00.75694.96521.22HZ(8)fZ2fP2fP0fZ0694.96HZ2123.14HZ(9)fP3fS2100250KHZ(10)零点为:2R2C1521.2HZfz2R3C32RiC3694.9HZ(11)极点为：fp1为原点,fp2fp32R3c31R2C1C2CiC2(12)rrAVi频率fz1与fz2之间的增益可近似为：R2Ri在频率fP2与fP3之间的增益则可近似为:R2

9、RiR3R2AV2RiR3R3考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取关频率）fgfs1005520KHz,(fs为开开环传函Gos的极点频率为:fP1,P21694.96HZ23.14.17.530001012(13)2将Gcs两个零点的频率设计为开环传函Gos两个相近极点频率的2,则：1.1fz1fz2fp1p2694.96347.482P2JJO(14)将补偿网络Gcs两个极点设为fP2fP3fs100KHz以减小输出的高频开关纹波。fz2AV1Gcj2fgfgR2R1AV2fp2fgGcj2fgR2R3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=1

10、0000欧姆H(S)=3/10算得：R1=1.964e+004欧姆R3=6.8214欧姆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补偿器伯德图为:图4-1-1超前

11、滞后校正器的伯德图加入补偿器后:BedsBogran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:日口日已DiagramGm=Inf日日(atInfradJsec)(Pm=172dsg(at2.56e+00Srsdl/sec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）4 BUCK变换器系统的仿真4.1 仿真参数及过程描述3.30.22510S一G0582仿真参数：13.510S5.2510S008sA2G（s）=1.197e-024sA5+1.504e-017sA4+4.728e-011sA3+3.18e+0.0

12、009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+34.2仿真模型图及仿真结果0CM* I-afflPuIkG "白泣brdaJldt近 lb ie SoursJ恤尸加-« i_Sebbs RLE Sun的3 5M*$«iks HIX SinSiwHLCBiardiS图4-2-1主电路仿真图图4-2-2仿真波形&Egr,*i旧现匚2-taeriiilSwOJils1咀Pite-,1-bii.ii.U喙EMEdI|阳3Ml闻研i图4-2-3力口PID控制的仿真电路图4-2-4仿真波形5设计总结本设计论文完成了设计的基

13、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

14、中将是我的宝贵财富。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*10A3;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fzp2*R3);C

15、2=1/(2*pi*fp3*R2);R1=1/(2*pi*C3*fz1);Num=conv(C1*R21,(R2+R3)*C31);Den1=conv(C1+C2)*R10,R3*C31);Den=conv(den1,R2*C1*C2/(C1+C2)1);Gc=tf(num,den);Figure(2);Bode(Gc);G=series(Gc,G0);Figure(3)Margin(G)20042009参考文献1新型单片开关电源设计与应用技术沙占友北京：电子工业出版社,2新型开关电源使用技术王英剑等电子工业出版社，19993新型开关电源设计与应用何希才科学出版社，20014新型开关电源设计与维修何希才国防工业出版社，20015电力电子应用技术的MATLAB仿真林飞，中国电力出版社，东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称MATLAB电气应用训练题目名称时序电路的逻辑电路与仿真学生姓名张浩然学