完整word版BUCK电路.docx

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完整word版BUCK电路

题目：

BUCK电路闭环PID控制系统的MATLA仿真

一、课题简介

二、BUCK变换器主电路参数设计..…

2.1设计及内容及要求

2.2主电路设计

1、滤波电容的设计

2、滤波电感设计

3、占空比计算

三、BUCK变换器PID控制的参数设计

3.1主电路传递函数分析

四、BUCK变换器系统的仿真

7

8

10

10

4.1仿真参数及过程描述

4.2仿真模型图及仿真结果

五、总结

六、参考文献

七、附录

、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buck!

路闭环PID控制系

统。

、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呛*F

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:

Rl

Vin

图2-1主电路图

因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，

（1）

R_VrrVrr

也iL0.2In

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

5O~8O^*QF[3]。

在本课题中取为75mQ*F，由式⑴可得Rc=25mQ,C=3OOOF。

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:

Vn-Vo-Vl-Von=3l/Ton

（2）

v。

+Vl+Vd=1_九/Toff

Toff十Ton=1/fs

L=tVin-V°-VL-VD

由上得:

纠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=1fs，可得TON=3.73Q，将此值回代式

（5）,可得L=17.5由I

根据：

D*⑹由上得：

Ton+T°ff=Vfs，可得Ton=3.73Q，贝UD=O.373

、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

V|N（1+sCRcs—+s2LCR

1+3.5咒10°S+5.25x10」S2

（2）

原始回路增益函数G0为：

1

Go（s）=Gm（s）-H（s）・Gvd（s）=v"

Vm

心占+沁

带入数据得:

1.51+3.5X10飞+5.25X10P1+3.5^10飞+5.25%10飞2

3.2补偿环节的设计

补偿器的传递函数为：

Gc（s）=

\丿rcc

[sR1（C1+C2）]（1+se2Jc*+SR3C3）

C1C2

（1+sR2C1）[1+s（R1+R3）C3]

有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。

fP1,P2=—==694.96HZ

2兀VLC2x3.14X<17.5x3000x10

（8）

（9）

fZ1=0.75fpo=0.75x694.96=521.22HZ

fZ2=fP0=694.96HZfP2=fZ0=2123.14HZ

零点为:

C1+C2

R2

频率fz1与fz2之间的增益可近似为：

AV1=2

R1

考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取f^f^=^=20KHZ

55

（fs为开关频率）

开环传函Go（s的极点频率为:

1

将Gc（s两个零点的频率设计为开环传函Go（s两个相近极点频率的t，则:

（14）

fz1=fz2二丄fp1p2=1咒694.96=347.48。

2pp22

将补偿网络Gc（s两个极点设为fP2=fP3=fs=100KHZ以减小输出的高频开

关纹波。

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=1.964e+004欧姆R3=6.8214欧姆

C1=4.5826e-008FC2=1.5915e-011FC3=2.3332e-008F

fz1=347.3046HZfz2=347.3046HZfp2=1000KHZfp3=1000KHZAV1=0.5091AV2=1.4660e+003

由

（2）（3）式得：

G（s）=1.197e-024sA5+1.504e-017sM+4.728e-011sA3+3.18e-008sA2+0.000900

4s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+3

补偿器伯德图为:

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:

日odeDiagram

Gm=InfdB（atInfradZsec）,Pm=172deg⑻2.56e+005rad/sec

:

T■*-T'TT1:

rMI：

TTT?

1a―TIri|iI打TTT71__T■'TITT:

T：

'I"

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?

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

仿直参数：

G"—3十Oj225"0飞

1中3.5沢10~^S+5.25%lO^S2

G（s）=1.197e-024sA5+1.504e-017sM+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

►

LJ

r>

S«pi

图4-2-1王电路仿真图

图4-2-2仿真波形

ReIiv

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'buHJEcnli1

B

Dintw:

TLJh1]4lFbi

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。

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,2004

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

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，2009

4、

七、附录

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=1O*1OA3;

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）*R1O],[R3*C31]）;

Den=conv（den1,[R2*C1*C2/（C1+C2）1]）;

Gc=tf（num,den）;

Figure

（2）;

Bode（Gc）;

G=series（Gc,GO）;

Figure（3）

Margin（G）