基于PID控制方式的Buck電路的綜合設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于PID控制方式的10A開關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級：13電氣卓越 姓名： 周沁 學(xué)號： 一、引言Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯?、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，其優(yōu)點有輸出電流紋波小，結(jié)構(gòu)簡單，變比可調(diào)，實現(xiàn)降壓的功能等。然而其輸出電壓紋波較大，buck電路系統(tǒng)的抗干擾能力也不強。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達(dá)到所需的等級，減小其電壓紋波，現(xiàn)設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。二、設(shè)計指標(biāo)輸入直流電壓(VIN)： 12V輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)： 10A輸出電壓紋波

2、(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。三、主電路參數(shù)設(shè)計1、 濾波電容參數(shù)的計算輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)：Rc= VrriL = Vrr0.2IN = 502 =25 m 因為C與Rc的乘機趨于常數(shù)，約為5080*F，本例中取為75*F，由式可得：Rc=25 m，C=3000F。2、 濾波電感參數(shù)的計算開關(guān)管閉合與導(dǎo)通的基爾霍夫電壓方程分別為、式：VIN-VO-VL-VON= LiLTON VO+VL+VD= LiLTOFF 假設(shè)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)管的導(dǎo)通壓降VON=0.5V，iL

3、=0.2IN=2?？傻?2-5-0.1-0.5=2LTON=6.45+0.1+0.5=2LTOF=5.6TON+TOFF=1f=10s TOFF=5.3sTON=4.7sL=14.84H圖1 Buck變換器的主電路3、 用MATLAB軟件仿真當(dāng)L=15H時，MATLAB仿真如圖2 所示，電流在9.049.14A之間脈動，符合iL0.2IN的要求。圖2 電感電流四、原始回路的設(shè)計采用小信號模型分析法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)G0(s)為：G0(s)=1Vm·H(s)·VIN(1+sCRc)1+sLRL+s2LC 假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm=1.5V，Rx=3k，Ry=1

4、.3k,由此可得：采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H(s)= VrefVO = 1.55 =0.3 原始回路直流增益A0(0)=1Vm·H(s) ·VIN=11.5×0.3×12=2.4其中RL=VOIN=510=0.5，將以上值帶入 可得G0(s)=2.4(1+75×10-6)1+29.68×10-6s+4.45×10-8s2 由原始回路得到的波特圖如圖3所示，MATLAB程序如下：num1=0.00018 2.4; den1=0. 0. 1;figure(1); mag,phase,w=bode(

5、num1,den1); margin(mag,phase,w) 圖3 原始回路的Bode圖相位裕度：40.8°穿越頻率：1.50e3Hz根據(jù)要求相位裕度應(yīng)達(dá)到50°-55°穿越頻率提升到（即10kHz-20kHz）均不滿足，因此需提高其相位裕度，穿越頻率。五、補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計圖4 PID補償網(wǎng)絡(luò)PID補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 Gc(s)=Gcm1+sz(1+Ls)1+sp 其中，Gcm=-RfR1+R2 ,z=1R2C2 ,L=1RfCf ,p=R1+R2R1R2C2 為了提高穿越頻率，設(shè)加入補償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率fc是開關(guān)fs的十分之一，

6、即fc = fs10 =10kHz假設(shè)選擇的倒置零點的頻率為穿越頻率的二十分之一。即fL = fc20 =500Hz設(shè)相位裕度m=52°，則零點頻率 fz= fc1-sinm1+sinm =10×1-sin52°1+sin52° =3.44kHz極點頻率 fp= fc1+sinm1-sinm =10×1+sin52°1-sin52° =29.04kHz雙重極點頻率 fp0= p02 = 12LC =1214.84×10-6×3000×10-6 =0.754kHz直流增益 Gcm=fcfp021A

7、0(0)fzfp =100.43.4429.04 =25.22零點角頻率 z=2fz=2×3.44=21.61kHz極點角頻率 p=2fp=2×29.04=182.45kHz倒置零點角頻率 L=2fL=2×500=3.14kHz可得補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為 Gcs=25.221+s21.61K1+3.14Ks1+s182.46K =25.221+4.6×10-5ss+3140s+5.481×10-6s2 =1.16×10-3s2+28.75s+79191s+5.481×10-6s2根據(jù)PID補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)得到的波特圖如圖5所示

8、，MATLAB程序如下：num=conv(0. 1,25.22 79191); den=0. 1 0;figure(1); mag,phase,w=bode(num,den); margin(mag,phase,w)圖5 PID補償網(wǎng)絡(luò)Bode圖用PID補償網(wǎng)絡(luò)作為控制器后，開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)= G0(s) Gcs 加上PID補償網(wǎng)絡(luò)后的波特圖如圖6所示，MATLAB程序如下：num1=0.00018 2.4; den1=0. 0. 1;g1=tf(num1,den1); num2= 0 .

9、00116 28.75 79191; den2=0. 1 0;  g2=tf(num2,den2);num3=conv(num1,num2);den3=conv(den1,den2);g3=tf(num3,den3);bode(g1,'*',g2,'-',g3,'-');圖6 帶有PID補償網(wǎng)絡(luò)的Bode圖相位裕度：52°穿越頻率：1.02e4Hz可知，經(jīng)過校正，系統(tǒng)滿足了要求指標(biāo)。六、系統(tǒng)仿真圖7 總系統(tǒng)圖（負(fù)載擾動）圖8 總系統(tǒng)圖（電源擾動）圖9 系統(tǒng)仿真圖采用脈沖控制理想開關(guān)的通斷

10、，觀察系統(tǒng)突加突卸能力（負(fù)載擾動）：圖10 突加突卸能力由于忽略了電容等效電阻，使得輸出電壓紋波極小，小于50mv，滿足要求。系統(tǒng)在突加突卸80%負(fù)載的時候，電壓約有0.2V的波動，恢復(fù)時間約為200s，效果并不很好。觀察系統(tǒng)電源突加突卸能力（電源擾動）：圖11電源擾動1圖12 電源擾動七、小結(jié) 本次任務(wù)完成的很艱難，由于涉及到自動控制原理、電力電子技術(shù)、模電等知識，還特地去重新復(fù)習(xí)了一下相關(guān)知識。由此我發(fā)現(xiàn)只是書本上的只是還是不夠的，我和同學(xué)討論了很多問題，在考慮問題時候，既然認(rèn)真計算每個細(xì)節(jié)，又要考慮整體的可行性，如主電路中電感的取值等等，會間接影響到最后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如何正確的確定每個參數(shù)，是能否達(dá)到最優(yōu)設(shè)計的關(guān)鍵。除此之外，此次課程設(shè)計還提高了我查閱資料的能力，有些知識并不能在現(xiàn)有書本上找到，需要自己去借閱圖書，上網(wǎng)查找其他的學(xué)術(shù)文章作為參考。這次設(shè)計中最難的就是學(xué)習(xí)MATLAB軟件的使用，網(wǎng)上下載了很多說明書，也詢問了同學(xué)，才學(xué)到了一些皮毛，同時也粗略的了解了psim等其它仿真軟件。這次的課程設(shè)計也為之后的畢業(yè)設(shè)計打下了一定的基礎(chǔ)，我從中受益匪淺。參考文獻(xiàn)1許澤剛，李俊生，郭建江.基于電力電子的虛擬綜合實驗設(shè)計與實踐J.電氣電子教學(xué)學(xué)報.20082王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社.2