BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真.doc
题目BUCK 电路闭环 PID 控制系统的 MATLAB 仿真目录一、课题简介 2二、BUCK 变换器主电路参数设计 .22.1 设计及内容及要求 22.2 主电路设计 21、滤波电容的设计 32、滤波电感设计 33、占空比计算 3三、BUCK 变换器 PID 控制的参数设计 .33.1 主电路传递函数分析 4四、BUCK 变换器系统的仿真 .74.1 仿真参数及过程描述 74.2 仿真模型图及仿真结果 8五、总结 10六、参考文献 10七、附录 102一、课题简介BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值 Uo 总是小于输出电压 UD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 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。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VIN15V2、 输出电压VO5V3、 输出电流IN10A4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 5、 锯齿波幅值 Um1.5V6、开关频率fs100kHz7、采样网络传函 Hs0.38、BUCK 主电路二极管的通态压降 VD0.5V，电感中的电阻压降VL0.1V，开关管导通压降 VON0.5V,滤波电容 C 与电解电容RC 的乘积为 2.2 主电路设计根据以上的对课题的分析设计主电路如下图 2-1 主电路图F7531、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)rrCLN0.2VRiI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*F3。在本课题中取为 75*F，由式1 可得RC25m，C3000F。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(2)INOLONLON/VViT(3)DF/i4of1/onsTf由上得5LinoDoVVLi假设二极管的通态压降 VD0.5V，电感中的电阻压降 VL0.1V，开关管导通压降 VON0.5V。利用 ，可得 TON3.73S，将此值回代ONFS1Tf式5 ，可得 L17.5H3、占空比计算根据 6onTD由上得 ，可得 TON3.73S，则 D0.373ONFS1f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4统稳定误差。3.1 主电路传递函数分析图 3-1 主电路(1)21INCvdVsRGL255827.013.21vd S原始回路增益函数 为0G3 21INCOmvdmVsRGssHsHsLV带入数据得 5 30 582582117.030.1.353. 10SS 3.2 补偿环节的设计补偿器的传递函数为5211321 31c sRCsRCGs sR 有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。561,2 12694.23.147.530Pf HZLC70 63ZfR810.75694521.Pff HZ920.31ZPHZf1035SK零点为, 111215.zfHZRC21313694.2zf HZRC极点为 为原点， ， 121pf23pf 21pfRC频率 与 之间的增益可近似为1zf2 21AV在频率 与 之间的增益则可近似为p3f 1322R考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取 ( 为开关频率)1025fsgKHZsf开环传函 的极点频率为oG131,2 12694.23.147.530Pf HZLC将 两个零点的频率设计为开环传函 两个相近极点频率的 ，则 cs oGs12。 141,216948pfzf将补偿网络 两个极点设为 以减小输出的高频开cGs2310PffsKHZ关纹波。2211zcggfRAVGjf6223pcggfRAVGjf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 R210000 欧姆 HS3/10算得R11.964e004 欧姆 R36.8214 欧姆C14.5826e-008F C21.5915e-011F C32.3332e-008Ffz1 347.3046HZ fz2 347.3046HZ fp2 1000KHZ fp3 1000KHZAV1 0.5091 AV2 1.4660e003 由(2) (3)式得Gs1.197e-024s51.504e-017s44.728e-011s33.18e-008s20.0009004s/4.727e-011s38.365e-007s20.002975s3补偿器伯德图为图 4-1-1 超前滞后校正器的伯德图加入补偿器后7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)四、BUCK 变换器系统的仿真4.1 仿真参数及过程描述仿真参数 3058230.2110SGGs1.197e-024s51.504e-017s44.728e-011s33.18e-8008s20.0009004s/4.727e-011s38.365e-007s20.002975s3 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9图 4-2-3 加 PID 控制的仿真电路图 4-2-4 仿真波形10五、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，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中将是我的宝贵财富。六、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、新型开关电源实用技术王英剑等 电子工业出版社 1999年3、新型开关电源设计与应用何希才 科学出版社 2001年4、新型开关电源设计与维修何希才 国防工业出版社 2001年5、 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真林飞，中国电力出版社， 七、附录程序clc;Clear;Vg;L;C;fs;R;Vm;H;G0tfVg*H,L*CFigure1MarginG0fp11/2*pi*sqrtL*C;Fg1/2*fs;Fz11/2*fp1;11Fz21/2fp1;Fp2fs;Fp3fs;marg_G0,phase_G0bodeG0,fg*2*pi;Marg_G1/marg_G0;AV1fz2/fg*marg_G;AV2fp2/fg*marg_G;R210*103;R3R2/AV2;C11/2*pi*fz1*R2;C31/2*pi*fzp2*R3;C21/2*pi*fp3*R2;R11/2*pi*C3*fz1;NumconvC1*R2 1,R2R3*C3 1;Den1convC1C2*R1 0,R3*C3 1;Denconvden1,R2*C1*C2/C1C2 1;Gctfnum,den;Figure2;BodeGc;GseriesGc,G0;Figure3MarginG
