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)：15V
2、 输出电压(VO)：5V
3、 输出电流(IN)：10A
4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV
5、 锯齿波幅值Um=1.5V
6、开关频率(fs)：100kHz
7、采样网络传函H(s)=0.3
8、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=3.73μS，将此值回代式(5)，可得L=17.5μH
3、占空比计算
依据： (6)
由上得：，可得TON=3.73μS，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-008F
fz1 =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-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

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-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
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=tf[Vg*H],[L*C
Figure(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*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)