BUCK电路闭环控制新版系统的MATLAB仿真.doc

BUCK电路闭环PID控制系统MATLAB仿真一、课题介绍BUCK电路是一个降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C数值。简单BUCK电路输出电压不稳定，会受到负载和外部干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可经过采样步骤得到PWM调制波，再和基准电压进行比较，经过PID控制器得到反馈信号，和三角波进行比较，得到调制后开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。二、BUCK变换器主电路参数设计 2.1设计及内容及要求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 Vpp50mV 5、 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主电路二极管通态压降VD=0.5V，电感中电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C和电解电容RC乘积为 2.2主电路设计依据以上对课题分析设计主电路以下：图2-1 主电路图1、滤波电容设计因为输出纹波电压只和电容容量和ESR相关， （1）电解电容生产厂商极少给出ESR，但C和RC乘积趋于常数，约为5080*F3。在本课题中取为75*F，由式(1)可得RC=25m，C=3000F。2、滤波电感设计开关管闭合和导通状态基尔霍夫电压方程分别如式(2)、(3)所表示： （2） （3） (4)由上得： (5)假设二极管通态压降VD=0.5V，电感中电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。利用，可得TON=3.73S，将此值回代式(5)，可得L=17.5H3、占空比计算 依据： (6)由上得：，可得TON=3.73S，则D=0.373三、BUCK变换器PID控制参数设计PID控制是依据偏差百分比P)、积分I)、微分D)进行控制，是控制系统中应用最为广泛一个控制规律。经过调整百分比、积分和微分三项参数，使得大多数工业控制系统取得良好闭环控制性能。PID控制本质是一个二阶线性控制器，其优点：1、技术熟练；2、易被大家熟悉和掌握；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主电路传输函数分析图3-1 主电路 （1） (2)原始回路增益函数为： (3) 带入数据得： 3.2赔偿步骤设计赔偿器传输函数为： (5)有源超前-滞后赔偿网络有两个零点、三个极点。 (6) (7) (8) (9) (10)零点为：, (11)极点为：为原点， (12)频率和之间增益可近似为:在频率和之间增益则可近似为：考虑达成抑制输出开关纹波目标，增益交接频率取 （为开关频率）开环传函极点频率为： (13)将两个零点频率设计为开环传函两个相近极点频率，则： 。 (14)将赔偿网络两个极点设为以减小输出高频开关纹波。 依据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件值以下：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-008Ffz1 =347.3046HZ fz2 =347.3046HZ fp2 = 1000KHZ fp3 =1000KHZAV1 =0.5091 AV2 =1.4660e+003 由（2）（3）式得：G(s)=1.197e-024s5+1.504e-017s4+4.728e-011s3+3.18e-008s2+0.0009004s/4.727e-011s3+8.365e-007s2+0.002975s+3赔偿器伯德图为：图4-1-1 超前滞后校正器伯德图加入赔偿器后： 图4-1-2加入赔偿器后系统伯德图相角裕度和幅值裕度为：图4-1-3加入赔偿器后系统相角裕度和幅值裕度相角裕度抵达172度，符合设计要求。（所用MATLAB程序见附录）四、BUCK变换器系统仿真 4.1仿真参数及过程描述仿真参数： G(s)=1.197e-024s5+1.504e-017s4+4.728e-011s3+3.18e-008s2+0.0009004s/4.727e-011s3+8.365e-007s2+0.002975s+3 4.2仿真模型图及仿真结果图4-2-1 主电路仿真图图4-2-2 仿真波形图4-2-3 加PID控制仿真电路图4-2-4 仿真波形五、总结本设计论文完成了设计基础要求详尽叙述了设计依据，工作原理叙述，BUCK电路设计，PID控制设计，传输函数参数计算，电路仿真。在进行本设计论文撰写时，我能够主动查阅资料，和她人讨论，主动采纳她人意见。对电路工作原理、参数基数过程，所用器件选择全部进行了深入叙述。我能够认真撰写论文，对论文进行深入修改。深入研究课题所包含内容，期望此设计能够对达成其预期效果。因为时间和本身水平限制，我所做设计还有很多不足之处。但经过这段时间以来实践，我也掌握了很多经验和教训。经过这次课程设计，我了解到怎样把自己在书本上学习到知识应用到实际工作之中，也学到很多待人处事道理，想这在我以后工作和学习中将是我宝贵财富。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*103;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*R2 1,(R2+R3)*C3 1);Den1=conv(C1+C2)*R1 0,R3*C3 1);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)