電力電子課程設計-BUCK電路閉環PID控制系統的MATLAB仿真CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY課程設計說明書課程設計名稱：電力電子題目：BUCK電路閉環PID控制系統的MATLAB仿真一15V/5V二級學院（直屬學部）：電子信息與電氣工程學院專業：電氣工程及其自動化班級：07電單學生姓名：學號：指導教師姓名：職稱：講師2011年1月聲卅*琴隆電力電子課程設計任務書二級學院（直屬學部）：電子信息與電氣工程學院專業：電氣工程及其自動化班級：學生姓名指導教師韓霞職稱講師課題名稱BUCK電路閉環PID控制系統的MATLAB仿真-15V/5V1、 根據設計要求計算濾波電感和濾波電容的參數值，設計PID補償網絡2、 采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型庫搭建閉環降壓式變換器的仿真模型3、 觀察系統在額定負載以及突加、突卸80%額定負載時的輸出電壓和負載電課流的波形4、撰寫課程設計說明書，要求包括：題一、封面二、目錄工三、正文1、降壓變換器的基本原理作2、BUCK變換器主電路參數設計2.1設計內容及要求內2.2主電路設計(占空比、濾波電感、濾波電容的設計)3、 BUCK變換器閉環PID控制的參數設計容3.1主電路傳函分析3.2補償環節的設計4、 BUCK變換器閉環系統的仿真1仿真參數及過程描述4.2仿真模型圖及仿真結果5、 總結(含心得體會)6、參考文獻(不少于6篇)21、 輸入直流電壓(V):15VIN2、 輸出電壓(Vo):5V3、 輸出電流(I):10AN指標4、輸出電壓紋波峰-峰值Vpp?50mV)5、 鋸齒波幅值Um=1.5V目標6、 開關頻率(fs):100kHZ)要7、 采樣網絡傳函H(s)=0.3求8、 BUCK主電路二極管的通態壓降V=0.5V，電感中的電阻壓降V=0.1V,開DL關管導通壓降V=0.5V,濾波電容C與電解電容R的乘積為75uQ*FONC第1天閱讀課程設計指導書，熟悉設計要求和設計方法第2天根據設計原理計算相關主要元件參數以及完成PID系統的設計進第3天熟悉MATLAB仿真軟件的使用，構建系統仿真模型程安第4天仿真調試，記錄要求測量波形排第5天撰寫課程設計說明書1、 電力電子課程設計任務書本院編2、 電力電子課程設計指導書本院編3、 王創社，樂開端等，開關電源兩種控制模式的分析與比較，電力電子技術，1998，3，78一81;主4、 徐輔東，電流型控制開關變換器的研究與優化，西南交通大學碩士論文，要2000年4月。參5、 梅曉榕，柏桂珍，張卯瑞，等?自動控制元件及線路[M].北京:科學出版考社，2005.9-10.文6、 王兆安，劉進軍?電力電子技術[M].北京?機械工業出版社,2010.1.獻7、 胡壽松.自動控制原理[M].北京?科學出版社,2007.6.地起止秋A6152011.1.17—2011.1.21點日期指導教師:韓霞2011年1月13日目錄、BUCK變換器的基本原理 5二、BUCK變換器主電路參數設計 5Buck變換器性能指標 5Buck變換器主電路設計 6三、BUCK變換器閉環PID控制的參數設計 ..7 7 3.1反饋回路設計3.2傳函分析 7補償環節的設計 9四、BUCK變換器閉環系統的仿真 Buck變換器閉環仿真參數及指標 ..12Buck變換器閉環仿真電路原理圖 ..13Buck變換器的閉環仿真結果與分析 14五、課程總結 14六、 參考文獻 15七、 附錄 15附錄1 附錄 152 16一、BUCK變換器的基本原理Buck電路是由一個功率晶體管開關Q與負載串聯構成的，其電路如圖1.1。驅動信號ub周期地控制功率晶體管Q的導通與截止，當晶體管導通時，若忽略其飽和壓降，輸出電壓uo等于輸入電壓;當晶體管截止時，若忽略晶體管的漏電流，輸出電壓為0。電路的主要工作波形如圖1.2。QA+Lf+VinUoRUbDCf圖1.1Buck變換器電路UbQOffQONt0UAVint0iL,iLt0圖1.2Buck變換器的主要工作波形二、BUCK變換器主電路參數設計2.1Buck變換器性能指標1、 輸入直流電壓(V):15VIN2、 輸出電壓(V):5VO3、 輸出電流(I):10AN4、 輸出電壓紋波(V):50mVrr5、 PWM鋸齒波基準電壓(V):1.5Vref6、 負載調整率S?5%I57、 開關頻率(f):100kHzs8、 采樣網絡傳函H(s)=0.39、 BUCK主電路二極管的通態壓降V=0.5V，電感中的電阻壓降V=0.1V,DL開關管導通壓降V=0.5V,濾波電容C與電解電容R的乘積為75uQ*F0NC2.2Buck變換器主電路設計2.2.1占空比D根據Buck變換器的性能指標要求及Buck變換器輸入輸出電壓之間的關系求出占空比:U5V1o(式2-1)D,,,U15V3i2.2.2濾波電容C輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關，VV50mVrrrrRm,,,,,25C(式2-2),，iIA0.20.210LNC與R的乘積趨于常數，約為50~80口*QF。本例中取為75口Q*F，由式(2-2)可得CR=25mQ，則C=3000uFoC2.2.3濾波電感L開關管閉合與導通狀態的基爾霍夫電壓方程分別如式(2-3)、(2-4)所示:VVVVLiT,,,,,/(式2-3)INOLONLONVVVLiT，，,,/(式2-4)OLDLOFF

根據Buck變換器的性能指標要求及二極管的通態壓降V=0.5V，電感中的電阻D壓降V=0.1V,開關管導通壓降V=0.5V。LON將數據代入（式2-3）、（式2-4）得LiT,,,,,,/1550.10.59.4(1)LONLiT,,，，,/50.10.55.6(2)LOFFTT/47/28,(1)/(2)得(3)OFFONlTTfus,,,,110又因為，可得T=3.73口S,將此值回代式(1),ONOFFSON100KHZ可得L=17.5uH三、BUCK變換器閉環PID控制的參數設計3.1反饋回路設計補償網絡電路如下圖所示:補償網絡電路如下圖所示:圖3.1有源超前—滯后補償網絡Ry反饋回路既H（s）取0.3,即為0.3。取Ry為3K歐姆，Rx為7K歐姆。RRxy，一端接地。Ry3.2傳函分析加了補償器之后的BUCK變換器系統框圖和系統主電路圖如下圖所示：系統框圖如下:圖3.2Buck變換器系統框圖主電路圖如下：7電源輸入MOS開關變換器負荷Li+感應增益H(S)VgvRLC-誤差信號門極驅動VcHvVe脈寬調制Gc(s),,(t)補償器參考輸入VreftdTTss圖3.3主電路圖整個Buck電路包括Gc(s)補償器，Gm(s)PWM控制器，Gvd(s)開環ref比較產生的偏差通過補傳遞函數和H(s)反饋回路。采樣電壓與參考電壓V償器校正后來調節PWM控制器的波形的占空比，當占空比發生變化時，輸出電壓U0作出相應的調整，來消除偏差。開環下，傳遞函數Gvd為：VsCR1，，，INC(式3-1)vdG,2L1，，ssLC帶入(式3-1)數據得:,515(17.510)，，SvdG,,,58213.5105.2510，，，，SS原始回路增益函數為:G0VsCR1，，，1INCGsGsHsGsHs()()()()(),,,,,,(式3-2)Omvd2LVm1，，ssLCR帶入(式3-2)數據得：,,53115(17.510)30.22510，，，，SSG,，，,0.30,,,,5825821.513.5105.251013.5105.2510，，，，，，，，SSSS8用MATLAB仿真得開環下系統的伯德圖為：:31iiTl?ial■g■*■■F-rfft^i:31iiTl?ial■g■*■■F-rfft^i--l：、'*丹'l~~'iV5=■■■-Y■■*■■J-? ■■nfj^i=i九*r?F7*"4'*~r f__*if■r：2.”一?-?■—1ma 討 m1 w「“俱咅i?Mww]圖3.4開環傳遞函數的伯德圖G0由MATLAB得：BCde審妙的?e?miaPn■■祐tleg(#§4je-+C￡i：iia￡Lrs?;j圖3.5開環傳遞函數的相角裕度和幅值裕度G0相角裕度只有40.4度，相角裕度過低，不滿足設計要求。需加入補償器。可采用有源超前滯后校正器。所用MATLAB程序如下：num二[0.225*10=33];den二[5.25*10=83.5=51];G=tf(num,den);margin(G)3.3補償環節的設計根據已知條件使用MATLAB程序(見附錄1)算得以下各參數值：補償器的傳遞函數為：9(1)[1()]，，，sRCsRRC21133cGs(),RCC212[()](1)(1)sRCCssRC，，，11233CC，12,,7232.101100.9167101，，，，ssGs(),c,,,17310232.28102.865100.900410，，，，，sss滯后補償網絡有兩個零點、三個極點。有源超前-1fz1,零點為：=347.3046HZ,21RC211fz2,,=347.3046HZ1331322,,RRCRC，，，1fp2,fp1極點為：為原點，=1000000HZ,RC3321fp3,=1000000HZRCC212,212CC，R2頻率fz1與fz2之間的增益可近似為:二0.5091AV1,R1RRRR2132,,,3在頻率fp2與fp3之間的增益則可近似為:二1.46610,AV2,,RRR133，fs100考慮達到抑制輸出開關紋波的目的，增益交接頻率取fgKHZ,,,2055(fs為開關頻率)G(s)開環傳函的極點頻率為：011fHZ,,,694.96，PP1,2,12,LC2，，，，23.1417.53000101,,,,GscGso將兩個零點的頻率設計為開環傳函兩個相近極點頻率的，則：211fzfzfHZ,,,,,。12694.96347.48pp1,222，，fffsKHZ,,,100Gsc將補償網絡兩個極點設為以減小輸出的高頻開關紋PP23波。fRz221,,cg2,AVGjf,,=0.5091g1fR10fRp2232,,cg2,AVGjf=,,1.46610,g3fRBUCK變換器閉環傳遞函數：GSGSGS,,()(),,0C,,,,,2451741138231.197101.504104.728103.18100.900410,,,,,,,,sssssGs(),,,,1137234.72710s8.365102.97510s3,,,,,,s根據已知條件使用MATLAB程序(見附錄1)算得校正器Gc(s)各元件的值如下:取R2=10000歐姆H(S)=0.3算得:R1=1.964e+004歐姆R3=6.8214歐姆C1=4.5826e-008FC2=1.5915e-011FC3=2.3332e-008F補償器伯德圖為:

圖3.6超前滯后校正器的伯德圖加入補償器后:11tilltillJIW-U1I；FL汕韻i.Htr?ffl：,-Trif占歐g(alV:論iOLn；E*■rff■■(■t■Xj!nYin""'i^r~ti，r*ibti""■■1—r-i''n'lf'?Ini"i'"Yir-r—圖3.7加入補償器后系統的伯德圖相角裕度和幅值裕度為：BodeDc^rwi伽=E出.silrriadf￡tt:..Fm=1Wwji i*n?：BC)圖3.8加入補償器后系統的相角裕度和幅值裕度相角裕度到達172度，符合設計要求。（所用MATLAB程序見附錄1）四、BUCK變換器閉環系統的仿真4.1Buck變換器閉環仿真參數及指標為了驗證閉環控制的工作原理及正確性，采用SABER軟件對電路做了仿真分析。仿真所用的參數為:,輸入直流電壓:Vin=15V;,輸出直流電壓:Vo=5V;,開關頻率：fs=100KHz;12,輸出電流：Io=10A;,輸出濾波電感:Lf=17.5uH;,輸出濾波電容:Cf=3000uF;,采樣分壓電阻:Rx=7KQ,Ry=3KQ;,參考電壓:Vref=1.5V;,補償網絡：R1=19.647KQ,R2=10KQ,R3=6.8214Q,C1=0.45826nF,C2=159.15nF，C3=0.23332nF;,載波信號：鋸齒波Vm=1.5V,T=5ms4.2Buck變換器閉環仿真電路原理圖

--—,A0lilUlIT；L-HSMlI--—,A0lilUlIT；L-HSMlIhl'MLiL.USL伽flL：：=■-曲?4小沁燦圖4.2閉環仿真電路原理圖134.3Buck變換器的閉環仿真結果與分析仿真結果如下圖4.3圖4.3閉環仿真輸出電壓與負載電流波形五、課程總結本次電力電子課程設計針對Buck變換器進行了詳細的介紹，包括Buck電路的工作原理分析、Buck電路的主電路參數設計、Buck電路的閉環參數設計及Buck電路的閉環仿真。通過閉環控制，可以看出閉環控制的穩壓及抑制干擾的作用。考慮到實際應用和軟件修改的方便，設計中補償電路采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例項用于糾正偏差，積分項用于消除系統的穩態誤差，微分項用于減小系統的超調量，增加系統穩定性。另外，為了提高系統的穩定性和抗干擾能力，選用具有三個極點、雙零點補償的有源超前-滯后補償網絡。增設的兩個零點補償由于Buck變換器的極點造成的相位滯后，其中一個極點可以抵消變換器的ESR零點，另一個極點設置在高頻段，可以抑制高頻噪聲。這次課程設計是我對于電力電子與自動控制系統課程的檢測，在理論的基礎上把它運用到實際生活中。查閱資料，與同組同學交流的過程也是一種學習。也讓我學會了MATLAB仿真軟件的使用，通過它來檢測系統的穩定性和抗干擾能力，讓我真正做到學以致用。14六、參考文獻梅曉榕，柏桂珍，張卯瑞，等?自動控制元件及線路[M].北京:科學出版社，2005.9-10.王兆安，劉進軍?電力電子技術[M].北京?機械工業出版社,2010.1.[3]胡壽松?自動控制原理[M].北京?科學出版社,2007.6.[4]電力電子課程設計任務書本院編;電力電子課程設計指導書本院編;阮毅陳伯時主編電力拖動自動控制系統一運動控制系統?機械工業出版社七、附錄附錄1所用MATLAB程序如下：clc;clear