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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电 力 电 子 题目：BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真15V/5V二级学院(直属学部)： 电子信息与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级：07电单 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称：讲 师 2011 年 1 月 电力电子 课程设计任务书二级学院（直属学部）：电子信息与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化班级： 学生姓名指导教师韩霞职称讲师课题名称BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真-15V/5V课 题 工 作 内 容1、根据设计要求计算滤波电感
2、和滤波电容的参数值，设计PID补偿网络2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型库搭建闭环降压式变换器的仿真模型3、观察系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形4、撰写课程设计说明书，要求包括：一、封面二、目录三、正文 1、降压变换器的基本原理 2、BUCK变换器主电路参数设计 2.1设计内容及要求 2.2主电路设计（占空比、滤波电感、滤波电容的设计） 3、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计 3.1主电路传函分析 3.2补偿环节的设计 4、BUCK变换器闭环系统的仿真 4.1仿真参数及过程描述 4.2仿真模型图及仿真结果5、总
3、结（含心得体会）6、参考文献（不少于6篇）指标（目标）要求1、 输入直流电压（VIN）:15V2、 输出电压(Vo):5V3、 输出电流(IN):10A4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV5、 锯齿波幅值Um=1.5V6、 开关频率(fs):100kHZ7、 采样网络传函H(s)=0.38、 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75u*F进程安排第1天 阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法第2天 根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成PID系统的设计第3天 熟悉MATLAB仿
4、真软件的使用，构建系统仿真模型第4天 仿真调试，记录要求测量波形第5天 撰写课程设计说明书主要参考文献1、电力电子课程设计任务书 本院编2、电力电子课程设计指导书 本院编3、王创社，乐开端等，开关电源两种控制模式的分析与比较，电力电子技术，1998，3，78一81;4、徐辅东，电流型控制开关变换器的研究与优化，西南交通大学硕士论文，2000年4月。5、梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等.自动控制元件及线路M.北京：科学出版社，2005.9-10.6、王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京.机械工业出版社,2010.1.7、胡寿松.自动控制原理M.北京.科学出版社,2007.6.地点秋A615起止日期20
5、11.1.172011.1.21 指导教师： 韩 霞 2011年1 月 13 日目 录一、BUCK变换器的基本原理5二、BUCK变换器主电路参数设计52.1 Buck变换器性能指标52.2 Buck变换器主电路设计6三、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计73.1 反馈回路设计73.2传函分析73.3 补偿环节的设计9四、BUCK变换器闭环系统的仿真124.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标124.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图134.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析14五、课程总结14六、参考文献15七、附录15附录115附录216一、BUCK变换器的基本原理Buck电路是由
6、一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如图1.1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。电路的主要工作波形如图1.2。图1.1 Buck变换器电路图1.2 Buck变换器的主要工作波形二、BUCK变换器主电路参数设计2.1 Buck变换器性能指标1、输入直流电压(VIN)：15V2、输出电压(VO)：5V3、输出电流(IN)：10A4、输出电压纹波(Vrr)：50mV5、PWM锯齿波基准电压(Vref)：1.5V6、负载调整率 SI5%7、开关频率(fs)：100kH
7、z8、采样网络传函H(s)=0.39、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75u*F2.2 Buck变换器主电路设计2.2.1 占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比： （式2-1） 2.2.2滤波电容C输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关， （式2-2）C与RC的乘积趋于常数，约为5080*F。本例中取为75*F，由式(2-2)可得RC=25m，则C=3000F。2.2.3滤波电感L开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2-
8、3)、(2-4)所示： （式2-3） （式2-4）根据Buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。将数据代入（式2-3）、（式2-4）得(1)(2)(1)/(2)得（3）又因为，可得TON=3.73S，将此值回代式(1)，可得L=17.5H三、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计3.1 反馈回路设计补偿网络电路如下图所示：图3.1 有源超前滞后补偿网络反馈回路既H（s）取0.3，即为0.3。取Ry为3K欧姆，Rx为7K欧姆。一端接地。3.2传函分析加了补偿器之后的BUCK变换器系统框图和系统主电路图如下图所示：
9、系统框图如下：图3.2 Buck变换器系统框图主电路图如下：图3.3主电路图整个Buck电路包括Gc（s）补偿器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）开环传递函数和H（s）反馈回路。采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压U0作出相应的调整，来消除偏差。开环下，传递函数Gvd为： （式3-1）带入（式3-1）数据得：原始回路增益函数为： （式3-2）带入（式3-2）数据得：用MATLAB仿真得开环下系统的伯德图为：图3.4 开环传递函数的伯德图由MATLAB得：图3.5 开环传递函数的相角裕度和幅值裕度相角裕度只有4
10、0.4度，相角裕度过低，不满足设计要求。需加入补偿器。可采用有源超前滞后校正器。所用MATLAB程序如下：num=0.225*10-3 3;den=5.25*10-8 3.5-5 1；G=tf(num,den);margin(G)3.3 补偿环节的设计根据已知条件使用MATLAB程序（见附录1）算得以下各参数值：补偿器的传递函数为：有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：=347.3046HZ=347.3046HZ极点为：为原点，=1000000HZ=1000000HZ频率与之间的增益可近似为:= 0.5091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
11、接频率取 （为开关频率）开环传函的极点频率为：，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：。将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。= 0.5091 = BUCK变换器闭环传递函数：根据已知条件使用MATLAB程序（见附录1）算得校正器Gc（s）各元件的值如下：取 R2=10000欧姆 H(S)=0.3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补偿器伯德图为：图3.6 超前滞后校正器的伯德图加入补偿器后：图3.7 加入补偿器后系统的伯德图相角裕度和幅值裕度为：
12、图3.8 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1）四、BUCK变换器闭环系统的仿真4.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标为了验证闭环控制的工作原理及正确性，采用SABER软件对电路做了仿真分析。仿真所用的参数为：l 输入直流电压：Vin=15V；l 输出直流电压：Vo=5V；l 开关频率：fs=100KHz；l 输出电流：Io=10A；l 输出滤波电感：Lf=17.5uH；l 输出滤波电容：Cf=3000uF；l 采样分压电阻：Rx=7K，Ry=3K；l 参考电压：Vref=1.5V；l 补偿网络：R1=19.647K，R2=1
13、0K，R3=6.8214，C1=0.45826nF，C2=159.15nF，C3=0.23332nF；l 载波信号：锯齿波Vm=1.5V，T=5ms4.2Buck变换器闭环仿真电路原理图图4.2 闭环仿真电路原理图4.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析仿真结果如下图4.3 图4.3 闭环仿真输出电压与负载电流波形五、课程总结本次电力电子课程设计针对Buck变换器进行了详细的介绍，包括Buck电路的工作原理分析、Buck电路的主电路参数设计、Buck电路的闭环参数设计及Buck电路的闭环仿真。通过闭环控制，可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。考虑到实际应用和软件修改的方便，设计中补偿电路
14、采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。另外，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有三个极点、双零点补偿的有源超前-滞后补偿网络。增设的两个零点补偿由于Buck变换器的极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。这次课程设计是我对于电力电子与自动控制系统课程的检测，在理论的基础上把它运用到实际生活中。查阅资料，与同组同学交流的过程也是一种学习。也让我学会了MATLAB仿真软件的使用，通过它来检测系统的稳定性和抗干扰能力，让我真正做到学以致用
15、。六、参考文献1梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等.自动控制元件及线路M.北京：科学出版社，2005.9-10.2 王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京.机械工业出版社,2010.1.3 胡寿松.自动控制原理M.北京.科学出版社,2007.6.4 电力电子课程设计任务书 本院编； 5 电力电子课程设计指导书 本院编；6 阮毅 陈伯时 主编电力拖动自动控制系统运动控制系统.机械工业出版社七、附录附录1所用MATLAB程序如下：clc;clear;Vg=15;L=17.5*10-6;C=3000*10-6;fs=1000*103;R=0.5;Vm=1.5;H=0.3;Rc=0.025G0=tf(C*Rc*
16、Vg*H/Vm Vg*H/Vm,L*C L/R 1)figure(1)margin(G0);fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C);fg=(1/5)*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=3*103;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fp2*R3);C2=1/(2*pi*fp3*R2);R1=1/(2*pi*C3*fz1);num=conv(C1*R2 1,(R1+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)附录2用MATLAB绘制的仿真图 图7-1 主电路仿真图图7-2 补偿后的主电路仿真图