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1、BUCK!路闭环PID控制系统的MATLA仿真亠、课题简介BUCK!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U。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 PW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BUCKt路闭环PID控制系统。UCK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)
2、: 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 75 土Q： F2.2主电路设计根据以上的对课题的分析设计主电路如下:in:Rl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,(1)vrr02n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5080広QF3。在本课题中
3、取为75硯*F ,由式可得Rc=25mQ , C=3000 F2、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:由上得：Vn V-Vl-Vn = 3l/Tn (2)V。Vl Vd 二 L 讥/ToFF(3)ToffTon - 1/ f s(4).T Vin mGJ(5)L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Ton Toff =1,可得TON=3.73 Q，将此值回代式(5)，可得 L=17.5 由I3、占空比计算根据：D诗由上得：Ton Toff =1 f s，可得 TON=3.73 Q，贝U
4、D=0.373三、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，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#(1)1感应期益sR s2LCvd =Gvd -15(17.5 10S)13.5 105S 5.25 10S2#原始回路增益函数Go为:1G(s) = Gm(s)H (s) G (s)二带
5、入数据得:Vm(s)-V|N 1 sCRC1 冷 s2LC15(1 7.5 10S)G0=0.3丄上丄21.5 1+3.5x10 S + 5.25X10 S23 0.225 10S1 3.5 10S 5.25 10S23.2补偿环节的设计补偿器的传递函数为:G c(s)二(1 SR2CJ1 s(R1 R3)C3sR1(CC 2)( 1 sR2C 1C 2C1 C2)(1 *3)有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为:fP1,P2fZ02 二 LC2 3.14 J7.5 3000 102 =694.96HZ2- RCC2 3.14 0.025 3000 10上fZ1 =0.75 fP
6、0 =0.75 694.96 =521.22HZfz2P2P3= 694.96HZ= 2123.14HZfS 100=50KHZ= 2123.14HZ(8)(9)(10)忆二疋 =521.2HZ2 RCfz21694.96Z2(R+RC3 2RC3(11)极点为：fp1为原点，fp2fp3 二2 二 R3C3R2C1C2(12)C1 C2频率fz1与fz2之间的增益可近似为：AVR21 -R1在频率fp2与fp3之间的增益则可近似为：AV2R2 R1 R3R2R1 R3R3考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取fg二史100520KHZ5#（fs为开关频率）开环传函Go s的极点频率为
7、:#fP1,P21 12二、LC 2 3.14,17.5 3000 10J2= 694.96HZ(13)将Gc s两个零点的频率设计为开环传函1Go s两个相近极点频率的1，贝#(14)11fz1 = fz2 = fp1 p2 = x 694.96 =347.48。22将补偿网络Gc s两个极点设为fp2二fp3二fs =100KHZ以减小输出的高频开关纹波。AVfz2|Gj fg|)= R2fg IR1#AV 2fp2R2=|Gc(j2兀 fg )=fgR3#根据已知条件使用MATLAB?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=1.964
8、e+004欧姆 R3=6.8214 欧姆C1=4.5826e-008FC2=1.5915e-011FC3=2.3332e-008Ffz1 =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-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:#101io2io3io*10sio
9、frioBiosIO9#Frequency (racVsec)图4-1-1超前滞后校正器的伯德图#加入补偿器后:Bode DiagrannGm = Inf dB (at Inf radfeec) rl Pm = 172 deg (al 2.56&+005 rad/sec)$0ODII102i510 10 10Frequency (radfeec)sg10 10Qo 5o 41-#图4-1-2加入补偿器后系统的伯德图相角裕度和幅值裕度为：Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf radfeec) , Pm = 172 deg (at 2,56e+005 rad/sec：图4
10、-1-3加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度相角裕度到达172度，符合设计要求。(所用MATLAB?序见附录)四、BIUCK变换器系统的仿真4.1仿真参数及过程描述仿真参数：3 + 0.225 O0SGo =1 + 3.5 沃 10厘 S + 5.25 沃 10S2G(s)=1.197e-024sA5+1.504e-017sA4+4.728e-011sA3+3.18e-008sA2+0.0009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+3#4.2仿真模型图及仿真结果#爵1PulseDC Voltage Sur0ClackId Wortepac2口 一
11、Jl0；I LbStiiisRLC BrjnohSeries： RLC Brainchl+匚*SopCutriMUejsuNrrent图4-2-1主电路仿真图口Voltage MeasurementTo WatecJKlle offset: DX 10图4-2-2仿真波形#Re lifEL5eieiRlClMkMultiE-C Mdhce Swx*巾融卿】沁f三TolVolBii 就41kF：L 和乩叶;FL： Bind I238eOI725rf1DSMMemTlj审削慣JS1十$Vlhlje HliKJIEFiUtiV愤如舲T1 idht UeiAiitninliturdtird4-2-3加
12、PID控制的仿真电路1E#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，BUCI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clc;Clear;Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;G0=tfVg*H,L*C
