BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真.docx
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BUCK电路闭环控制系统的MATLAB仿真
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):
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
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
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)
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:
(2)
(3)
(4)
3.1主电路传递函数分析
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补偿环节的设计
补偿器的传递函数为:
(5)
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
零点为:
(11)
极点为:
为原点,
,
(12)
频率
与
之间的增益可近似为:
在频率
与
之间的增益则可近似为:
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)
开环传函
的极点频率为:
(13)
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:
。
(14)
将补偿网络
两个极点设为
以减小输出的高频开关纹波。
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-008F
fz1=347.3046HZfz2=347.3046HZfp2=1000KHZfp3=1000KHZ
AV1=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:
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*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*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)
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