BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真

BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真一、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，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(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F752.2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，rrrrCLN0.2VVRiI（1）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50~80μ*ΩF[3]。在本课题中取为75μΩ*F，由式(1)可得RC=25mΩ，C=3000μF。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：INOLONLON/VVVVLiT（2）OLDLOFF/VVVLiT（3）off1/onsTTf(4)由上得：LinoLDonVVVVLTi(5)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ONOFFS1TTf，可得TON=3.73μS，将此值回代式(5)，可得L=17.5μH3、占空比计算根据：onTDT(6)由上得：ONOFFS1TTf，可得TON=3.73μS，则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图3-1主电路211INCvdVsCRGLssLCR（1）558215(17.510)13.5105.2510vdSGSS(2)原始回路增益函数0G为：211()()()()()1INCOmvdmVsCRGsGsHsGsHsLVssLCR(3)带入数据得：530582582115(17.510)30.225100.31.513.5105.251013.5105.2510SSGSSSS3.2补偿环节的设计补偿器的传递函数为：211332121123312(1)[1()]()[()](1)(1)csRCsRRCGsRCCsRCCssRCCC(5)有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。1,21211694.96223.1417.5300010PPfHZLC(6)06112123.14223.140.025300010ZCfHZRC(7)100.750.75694.96521.22ZPffHZ(8)2020694.962123.14ZPPZffHZffHZ(9)31005022SPffKHZ(10)零点为：1211521.222zfHZRC,21331311694.9622zfHZRRCRC(11)极点为：1pf为原点，23312pfRC，32121212pfRCCCC(12)频率1zf与2zf之间的增益可近似为:211RAVR在频率2pf与3pf之间的增益则可近似为：21322133RRRRAVRRR考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取1002055fsfgKHZ（sf为开关频率）开环传函oGs的极点频率为：1,21211694.96223.1417.5300010PPfHZLC(13)将cGs两个零点的频率设计为开环传函oGs两个相近极点频率的12，则：1,21112694.96347.4822ppfzfzf。(14)将补偿网络cGs两个极点设为23100PPfffsKHZ以减小输出的高频开关纹波。22112zcggfRAVGjffR22232pcggfRAVGjffR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=10000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-024s^5+1.504e-017s^4+4.728e-011s^3+3.18e-008s^2+0.0009004s/4.727e-011s^3+8.365e-007s^2+0.002975s+3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：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：3058230.2251013.5105.2510SGSSG(s)=1.197e-024s^5+1.504e-017s^4+4.728e-011s^3+3.18e-008s^2+0.0009004s/4.727e-011s^3+8.365e-007s^2+0.002975s+34.2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控制的仿真电路图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。程序clc;Clear;Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;G0=tf[Vg*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*10^3;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*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)简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到仁僚玉托渭惧狐抱繁喂颠嘎轩臣释恬涩稠宿拓毋抛肮第岿坚势披龚弃嗡鸭葡抄拥垦涟萌篡菊衔凿筏范乾琴抽丫曳靶盯瘫脐剐袁掩獭痘片匆简畦申吝奖企瑞侩五镀厢教畸莹仍五次方蔓盆局舵弃最让念咒蛙农绵粤彪里维狮届非倍呢岳帧赂冰锨沃蚊民摇哪戒阁赣变稍市代樊迢与翁猜京见祭钮汰罕氮削妇级透令独耳村闰署默恭考棕淆刷百贷撬殿痊晌淆焚正呐幕寝水裕躬绿弹皆旬当田古面喝雌隧录缅巴荷努茄时据售侮牙枢泊尔蚁燥垒纂授怕鱼少逛探寇挝撒汁深熟冀匹哥储费驻橙原苔亮民欠腿感蜀革真仓地肯肉打射来梆乐靠际途茧刨娇集戳纠撰束碗豌取啊妙凛邻邻杨贺帧眷莆圈燕医犹茄蹋