BUCK電路閉環(huán)控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真

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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 專業(yè)班級電氣二12-1 學(xué)生姓名沈洋 學(xué)生學(xué)號120603120102 指導(dǎo)教師李宏玉劉超 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練任務(wù)書 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 專業(yè)電氣二12-1姓名沈洋學(xué)號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)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。

2、簡單 的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會受到負(fù)載和外部的干擾，當(dāng)加入PID控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。可通過采樣環(huán)節(jié)得到PWM調(diào)制波，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過PID控制器得到反饋信號，與三角波進(jìn)行比較，得到調(diào)制后的開關(guān)波形，將其作為開關(guān)信號，從而實現(xiàn)BUCK電路閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。基本要求： 1、輸入直流電壓（VIN）:15V 2、 輸出電壓（VO）:5V 3、 輸出電流（IN）:10A 4、輸出電壓紋波峰-峰值Vpp<50mV 5、鋸齒波幅值Um=1.5V 6、開關(guān)頻率（fs）:100kHz 7、采樣網(wǎng)絡(luò)傳函H（s）=0.3 8、BUCK主電路二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V,電

3、感中的電阻壓降VL=0.1V,開關(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75F 主要參考資料： [1]新型單片開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)沙占友北京：電子工業(yè)出版社，2004 [2]《新型開關(guān)電源使用技術(shù)》王英劍等電子工業(yè)出版社，1999 [3]《新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用》何希才科學(xué)出版社，2001 [4]《新型開關(guān)電源設(shè)計與維修》何希才國防工業(yè)出版社，2001 [5]《電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真》林飛，中國電力出版社，2009 完成期限2014.2.24——2014.3.7 指導(dǎo)教師李宏玉劉超 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2014年2月24日 1 任務(wù)和要求1

4、2 BUCK變換器主電路參數(shù)設(shè)計2... 2.1 主電路設(shè)計2... 3 BUCK變換器PID控制的參數(shù)設(shè)計1.. 3.1 主電路傳遞函數(shù)分析2 3.2 補償環(huán)節(jié)的設(shè)計2 4 BUCK變換器系統(tǒng)的仿真2... 4.1 仿真參數(shù)及過程描述錯誤..!未定義書簽。 4.2 仿真模型圖及仿真結(jié)果6... 5 設(shè)計總結(jié)錯誤..!未定義書簽。 參考文獻(xiàn)9... 1任務(wù)和要求 1、輸入直流電壓（VIN）:15V 2、 輸出電壓（VO）:5V 3、輸出電流（IN）:10A 4、輸出電壓紋波峰-峰值Vpp<50mV 5、鋸齒波幅值Um=1.5V 6、開關(guān)頻率（fs）:100kHz

5、 7、采樣網(wǎng)絡(luò)傳函H（s）=0.3 8、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75F 2BUCK變換器主電路參數(shù)設(shè)計 2.1 主電路設(shè)計 根據(jù)以上的對課題的分析設(shè)計主電路如下: 圖2-1主電路圖 1、濾波電容的設(shè)計 因為輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān), Rc Vrr iL Vrr 0.2In (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50~80-QF3]在本課題中取為75peF,由式（1）可得RC=2

6、5m^,C=3000nF。 2、濾波電感設(shè)計 開關(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 Vl Vd Toff Ton 1/ VIN VO VL VON L iL /TOFF (3) fs L dTon (2) 由上得: Vo Vl Vd iL VL=0.1V ,開關(guān)管導(dǎo)通壓降 D 根據(jù)： Ton T (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 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、占空比計算

7、由上得：Ton 開關(guān)變換據(jù) 電源輸入 in 依荷 設(shè)莘信q Gc(s) * 門帔驅(qū)動△ 11 TOFF1/fs,可得TON=3.73Q,則D=0.373 3 BUCK變換器PID控制的參數(shù)設(shè)計 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。通過調(diào)整比例、積分和微分三項參數(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)是一個二階線性控制器，具優(yōu)點：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

8、主電路 Gvd Vin1SCRc 1s—S2LC (1) Gvd 15(17.5105S) 13.5105S5.25108S2 原始回路增益函數(shù)G0為: Go(s)Gm(s)?H(s)?Gvd(s) —?H Vm VIN1sCRC(s)?^N—. 1sLs2LC R⑶ 帶入數(shù)據(jù)得: -1 Go0.3—— 1.5 15(17.5105S) 30.225103S 13.5 105S5.25108S2 13.5105S5.25108S2 3.2補償環(huán)節(jié)的設(shè)計 補償器的傳遞函數(shù)為: Gc(s) (1 sR2Ci

9、)[1s(Ri R3)C3] [sRi(CiC2)](1 R2cle2 s0212)(1sR3c3) C1C2 有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個零點、 三個極點。 fP1,P2 2JLC23.14,17.5300010 =694.96HZ 12 (6) fZ0 1 2QC 1 23.140.025300010 2123.14HZ fZ1 0.75fP0 0.75694.96 521.22HZ (8) fZ2 fP2 fP0 fZ0 694.96HZ 2123.14HZ (9) fP3 fS 2 100 2 50KHZ (10

10、) 零點為: 2R2C1 521.2HZ fz2 R3C3 2RiC3 694.9HZ (11) 極點為：fp1為原點, fp2 fp3 2R3c3 1 R2C1C2 CiC2 (12) rrAVi 頻率fz1與fz2之間的增益可近似為： R2 Ri 在頻率fP2與fP3之間的增益則可近似為:

11、 …R2RiR3R2 AV2 RiR3R3 考慮達(dá)到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取關(guān)頻率） fg fs100 55 20KHz,(fs為開 開環(huán)傳函Gos的極點頻率為: fP1,P2 1694.96HZ 23.14.17.530001012 (13) 2 將Gcs兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳函Gos兩個相近極點頻率的2,則： ??1.1 fz1fz2fp1p2694.96347.48 2P2 JJO (14) 將補償網(wǎng)絡(luò)Gcs兩個極點設(shè)為fP2 fP3fs100KHz以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。 fz2 AV1—Gcj2fg fg R2

12、 R1 AV2 fp2 fg Gcj2 fg R2 R3 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=10000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-008F fz1=347.3046HZfz2=347.3046HZfp2=1000KHZfp3=1000KHZ A

13、V1=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-011s A3+8.365e-007sA2+0.002975s+3 補償器伯德圖為: 圖4-1-1超前滯后校正器的伯德圖 加入補償器后: BedsBogran 圖4-1-2加入補償器后系統(tǒng)的伯德圖

14、 相角裕度和幅值裕度為: 日口日已Diagram Gm=Inf日日(atInfradJsec)(Pm=172dsg(at2.56e+00Srsdl/sec 圖4-1-3加入補償器后系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度 相角裕度到達(dá)172度，符合設(shè)計要求。（所用MATLAB程序見附錄） 4 BUCK變換器系統(tǒng)的仿真 4.1 仿真參數(shù)及過程描述 3. 30.22510S 一G0582 仿真參數(shù)：13.510S5.2510S 008sA2 G（s）=1.197e-024sA5+1.504e-

15、017sA4+4.728e-011sA3+3.18e +0.0009004s/4.727e-011sA3+8.365e-007sA2+0.002975s+3 4.2仿真模型圖及仿真結(jié)果 0 CM * I -a ffl PuIk G "白泣br daJldt 近 lb ie Sours ? J恤尸加-■ ? i_ Sebbs RLE Sun]的 3[ 5M * $?iks HIX Sin □ SiwHLCBiardiS 圖4-2-1主電路仿真圖

16、 圖4-2-2仿真波形 & Eg r,*i舊現(xiàn)匚 2-taeriiilSwOJils1 咀 Pite-,1--bii.ii. U喙EMEd『I|陽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)計總結(jié) 本設(shè)計論文完成了設(shè)計的基本要求詳盡的闡述了設(shè)計依據(jù)，工作原理敘述，BUCK 電路的設(shè)計，PID控制設(shè)計，傳遞函數(shù)參數(shù)計算，電路仿真。 在進(jìn)行本設(shè)計論文撰寫時

17、，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。對電路的工作原理、參數(shù)的基數(shù)過程，所用器件的選擇都進(jìn)行了深入的闡述。 我能夠認(rèn)真撰寫論文，對論文進(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)計能夠?qū)_(dá)到其預(yù)期的效果。 由于時間和自身水平的限制，我所做的設(shè)計還有很多的不足之處。但通過這段時間以來 的實踐，我也掌握了很多的經(jīng)驗和教訓(xùn)。 通過這次的課程設(shè)計，我了解到怎樣把自己在書本上學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實際的工作之中，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)中將是我的寶貴財富。 程序 clc; Clear; Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;

18、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*10A3; R3=R2/AV2; C1=1/(2*pi*fz1*R2); C3=1/(2*pi*fzp2*R3); C2=1/(2

19、*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) 2004 2009 參考文獻(xiàn) [1]新型單片開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)沙占友北京：電子工業(yè)出版社, [2]《新型開關(guān)電源使用技術(shù)》

20、王英劍等電子工業(yè)出版社，1999 [3]《新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用》何希才科學(xué)出版社，2001 [4]《新型開關(guān)電源設(shè)計與維修》何希才國防工業(yè)出版社，2001 [5]《電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真》林飛，中國電力出版社， 東北石油大學(xué)課程設(shè)計成績評價表 課程名稱 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練 題目名稱 時序電路的邏輯電路與仿真 學(xué)生姓名 張浩然 學(xué)號 120603120117 指導(dǎo)教師姓名 李宏玉劉超 職稱 副教授講師 在舁廳P 評價項目 指標(biāo) 滿分 評分 1 工作量、工作態(tài)度和出勤率 按期圓滿的完成了規(guī)定的任務(wù)，難易程度和工作量符合教學(xué)要求，工作努力，遵守紀(jì)律，出勤率高，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，善于與他人合作。 20 2 課程設(shè)計質(zhì)量 課程設(shè)計選題合理，計算過程簡練準(zhǔn)確，分析問題思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備止確。 45 3 創(chuàng)新 工作中啟創(chuàng)新思識，對前人工作由一些改進(jìn)或有f應(yīng)用價值。 5 4 答辯 能止確回答指導(dǎo)教師所提出的問題。 30 總分 評語： 指導(dǎo)教師：年月日