BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真

1、東北石油大學(xué)MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練課程MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練題目BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真院系電氣信息工程學(xué)院電氣工程系專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣二12-1學(xué)生姓名沈洋學(xué)生學(xué)號(hào)120603120102指導(dǎo)教師李宏玉劉超MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練任務(wù)書(shū)課程MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練題目BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真專(zhuān)業(yè)電氣二12-1姓名沈洋學(xué)號(hào)120603120102主要內(nèi)容：BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸入電壓Ui。通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開(kāi)關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。簡(jiǎn)單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會(huì)受到負(fù)載和外部的干擾，

2、當(dāng)加入PID控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？赏ㄟ^(guò)采樣環(huán)節(jié)得到PWM調(diào)制波，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)PID控制器得到反饋信號(hào)，與三角波進(jìn)行比較，得到調(diào)制后的開(kāi)關(guān)波形，將其作為開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)BUCK電路閉環(huán)PID控制系統(tǒng)?；疽螅?、輸入直流電壓（VIN）:15V2、 輸出電壓（VO）:5V3、 輸出電流（IN）:10A4、輸出電壓紋波峰-峰值Vpp<50mV5、鋸齒波幅值Um=1.5V6、開(kāi)關(guān)頻率（fs）:100kHz7、采樣網(wǎng)絡(luò)傳函H（s）=0.38、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V,電感中的電阻壓降VL=0.1V,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘

3、積為75F主要參考資料：1新型單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)沙占友北京：電子工業(yè)出版社，20042新型開(kāi)關(guān)電源使用技術(shù)王英劍等電子工業(yè)出版社，19993新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用何希才科學(xué)出版社，20014新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與維修何希才國(guó)防工業(yè)出版社，20015電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真林飛，中國(guó)電力出版社，2009完成期限2014.2.242014.3.7指導(dǎo)教師李宏玉劉超專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人2014年2月24日1 任務(wù)和要求12 BUCK變換器主電路參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1 主電路設(shè)計(jì)2.3 BUCK變換器PID控制的參數(shù)設(shè)計(jì)1.3.1 主電路傳遞函數(shù)分析23.2 補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)24 BUCK變換器系統(tǒng)的仿

4、真2.4.1 仿真參數(shù)及過(guò)程描述錯(cuò)誤.!未定義書(shū)簽。4.2 仿真模型圖及仿真結(jié)果6.5 設(shè)計(jì)總結(jié)錯(cuò)誤.!未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn)9.1任務(wù)和要求1、輸入直流電壓（VIN）:15V2、 輸出電壓（VO）:5V3、輸出電流（IN）:10A4、輸出電壓紋波峰-峰值Vpp<50mV5、鋸齒波幅值Um=1.5V6、開(kāi)關(guān)頻率（fs）:100kHz7、采樣網(wǎng)絡(luò)傳函H（s）=0.38、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V,電感中的電阻壓降VL=0.1V,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75F2BUCK變換器主電路參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 主電路設(shè)計(jì)根據(jù)以上的對(duì)課題的分析設(shè)計(jì)主電

5、路如下:圖2-1主電路圖1、濾波電容的設(shè)計(jì)因?yàn)檩敵黾y波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān),RcVrriLVrr0.2In(D電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR,!C與RC的乘積趨于常數(shù)，約為5080-QF3在本課題中取為75peF,由式（1）可得RC=25m,C=3000nF。2、濾波電感設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程分別如式（2）、（3）所示：Vo VlVdToffTon1/VINVO VL VONL iL /TOFF(3)fsL dTon(2)由上得:Vo Vl VdiLVL=0.1V ,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降D根據(jù)：TonT (6)(5)假設(shè)二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V,電感中的電阻壓降

6、VON=0.5V。利用TonToff1"S,可得TON=3.73pS,將此值回代式（5）,可得L=17.5出3、占空比計(jì)算由上得：Ton開(kāi)關(guān)變換據(jù)電源輸入in依荷設(shè)莘信qGc(s) *門(mén)帔驅(qū)動(dòng)11TOFF1/fs,可得TON=3.73Q,則D=0.3733 BUCK變換器PID控制的參數(shù)設(shè)計(jì)PID控制是根據(jù)偏差的比例P）、積分I）、微分D）進(jìn)行控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。通過(guò)調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)參數(shù)，使得大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。PID控制的本質(zhì)是一個(gè)二階線性控制器，具優(yōu)點(diǎn)：1、技術(shù)純熟；2、易被人們熟悉和掌握；3、不需要建立數(shù)學(xué)模型；4、控制效

7、果好；5、消除系統(tǒng)穩(wěn)定誤差。3.1 主電路傳遞函數(shù)分析圖3-1主電路GvdVin1SCRc1sS2LC(1)Gvd15(17.5105S)13.5105S5.25108S2原始回路增益函數(shù)G0為:Go(s)Gm(s)?H(s)?Gvd(s)?HVmVIN1sCRC(s)?N.1sLs2LCR帶入數(shù)據(jù)得:-1Go0.31.515(17.5105S)30.225103S13.5105S5.25108S213.5105S5.25108S23.2補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為:Gc(s)(1sR2Ci)1s(RiR3)C3sRi(CiC2)(1R2cle2s0212)(1sR3c3)C1C2有源超前

8、-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零點(diǎn)、三個(gè)極點(diǎn)。fP1,P22JLC23.14,17.5300010=694.96HZ12(6)fZ012QC123.140.0253000102123.14HZfZ10.75fP00.75694.96521.22HZ(8)fZ2fP2fP0fZ0694.96HZ2123.14HZ(9)fP3fS2100250KHZ(10)零點(diǎn)為:2R2C1521.2HZfz2R3C32RiC3694.9HZ(11)極點(diǎn)為：fp1為原點(diǎn),fp2fp32R3c31R2C1C2CiC2(12)rrAVi頻率fz1與fz2之間的增益可近似為：R2Ri在頻率fP2與fP3之間的增益則可近似為:R2

9、RiR3R2AV2RiR3R3考慮達(dá)到抑制輸出開(kāi)關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取關(guān)頻率）fgfs1005520KHz,(fs為開(kāi)開(kāi)環(huán)傳函Gos的極點(diǎn)頻率為:fP1,P21694.96HZ23.14.17.530001012(13)2將Gcs兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)傳函Gos兩個(gè)相近極點(diǎn)頻率的2,則：1.1fz1fz2fp1p2694.96347.482P2JJO(14)將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gcs兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)為fP2fP3fs100KHz以減小輸出的高頻開(kāi)關(guān)紋波。fz2AV1Gcj2fgfgR2R1AV2fp2fgGcj2fgR2R3根據(jù)已知條件使用MATLAB程序算得校正器Gc(s)各元件的值如下：取R2=1

10、0000歐姆H(S)=3/10算得：R1=1.964e+004歐姆R3=6.8214歐姆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-024sA5+1.504e-017sA4+4.728e-011sA3+3.18e-008sA2+0.0009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+3補(bǔ)償器伯德圖為:圖4-1-1超前

11、滯后校正器的伯德圖加入補(bǔ)償器后:BedsBogran圖4-1-2加入補(bǔ)償器后系統(tǒng)的伯德圖相角裕度和幅值裕度為:日口日已DiagramGm=Inf日日(atInfradJsec)(Pm=172dsg(at2.56e+00Srsdl/sec圖4-1-3加入補(bǔ)償器后系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度相角裕度到達(dá)172度，符合設(shè)計(jì)要求。（所用MATLAB程序見(jiàn)附錄）4 BUCK變換器系統(tǒng)的仿真4.1 仿真參數(shù)及過(guò)程描述3.30.22510S一G0582仿真參數(shù)：13.510S5.2510S008sA2G（s）=1.197e-024sA5+1.504e-017sA4+4.728e-011sA3+3.18e+0.0

12、009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+34.2仿真模型圖及仿真結(jié)果0CM* I-afflPuIkG "白泣brdaJldt近 lb ie SoursJ恤尸加-« i_Sebbs RLE Sun的3 5M*$«iks HIX SinSiwHLCBiardiS圖4-2-1主電路仿真圖圖4-2-2仿真波形&Egr,*i舊現(xiàn)匚2-taeriiilSwOJils1咀Pite-,1-bii.ii.U喙EMEdI|陽(yáng)3Ml聞研i圖4-2-3力口PID控制的仿真電路圖4-2-4仿真波形5設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)論文完成了設(shè)計(jì)的基

13、本要求詳盡的闡述了設(shè)計(jì)依據(jù)，工作原理敘述，BUCK電路的設(shè)計(jì)，PID控制設(shè)計(jì)，傳遞函數(shù)參數(shù)計(jì)算，電路仿真。在進(jìn)行本設(shè)計(jì)論文撰寫(xiě)時(shí)，我能夠積極的查閱資料，和別人討論，積極的采納別人的意見(jiàn)。對(duì)電路的工作原理、參數(shù)的基數(shù)過(guò)程，所用器件的選擇都進(jìn)行了深入的闡述。我能夠認(rèn)真撰寫(xiě)論文，對(duì)論文進(jìn)行進(jìn)一步的修改。深入研究課題所涉及的內(nèi)容，希望此設(shè)計(jì)能夠?qū)_(dá)到其預(yù)期的效果。由于時(shí)間和自身水平的限制，我所做的設(shè)計(jì)還有很多的不足之處。但通過(guò)這段時(shí)間以來(lái)的實(shí)踐，我也掌握了很多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我了解到怎樣把自己在書(shū)本上學(xué)習(xí)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的工作之中，也學(xué)到很多待人處事的道理，想這在我以后的工作和學(xué)習(xí)

14、中將是我的寶貴財(cái)富。程序clc;Clear;Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;G0=tfVg*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*10A3;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fzp2*R3);C

15、2=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)20042009參考文獻(xiàn)1新型單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)沙占友北京：電子工業(yè)出版社,2新型開(kāi)關(guān)電源使用技術(shù)王英劍等電子工業(yè)出版社，19993新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用何希才科學(xué)出版社，20014新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與維修何希才國(guó)防工業(yè)出版社，20015電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真林飛，中國(guó)電力出版社，東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表課程名稱(chēng)MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練題目名稱(chēng)時(shí)序電路的邏輯電路與仿真學(xué)生姓名張浩然學(xué)