1、电力电子课程设计BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真电力电子课程设计-BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真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
2、 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 1、根据设计要求计算滤波电感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课 流的波形 4、撰写课程设计说明书，要求包括: 题 一、封面 二、目录 工 三、正文 1、降压变换器的基本原理 作 2、BUCK变换器主电路参数设计 2.1设计内容及要求 内 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
3、器闭环PID控制的参数设计 容 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、总结(含心得体会) 6、参考文献(不少于6篇) 2 1、输入直流电压(V):15V IN2、输出电压(Vo):5V 3、输出电流(I):10A N指标4、输出电压纹波峰-峰值 Vpp?50mV )5、锯齿波幅值Um=1.5V 目标6、开关频率(fs):100kHZ )要7、采样网络传函H(s)=0.3 求 8、BUCK主电路二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻压降V=0.1V,开DL关管导通压降V=0.5V,滤波电容C与电
4、解电容R的乘积为75u*F ONC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 进 第3天 熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型 程 安 第4天 仿真调试，记录要求测量波形 排 第5天 撰写课程设计说明书 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; 主 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，要 2000年4月。 参 5、 梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等.自动控制
5、元件及线路M.北京:科学出版考 社，2005.9-10. 文 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. 献 7、胡寿松.自动控制原理M.北京.科学出版社,2007.6. 地 起止 秋A615 2011.1.172011.1.21 点 日期 指导教师: 韩 霞 2011年1 月 13 日 3 一、BUCK变换器的基本原理 . 5 二、BUCK变换器主电路参数设计 . 5 2.1 Buck变换器性能指标 . 5 2.2 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. 7 . 7 3.1 反馈回路设计3.2传函分析 . 7 3.3 补偿
6、环节的设计. 9 四、BUCK变换器闭环系统的仿真 . 12 4.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标 . 12 4.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图 . 13 4.3 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1 . 15 附录2 . 16 4 一、BUCK变换器的基本原理 Buck电路是由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
7、工作波形如图1.2。 QA+Lf+VinUoRUbDCf-图1.1 Buck变换器电路 UbQOffQONt0UAVint0iL,iLt0 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(V):15V IN2、输出电压(V):5V O3、输出电流(I):10A N4、输出电压纹波(V):50mV rr5、PWM锯齿波基准电压(V):1.5V ref6、负载调整率 S?5% I5 7、开关频率(f):100kHz s8、采样网络传函H(s)=0.3 9、BUCK主电路二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻压降V=0.
8、1V,DL开关管导通压降V=0.5V,滤波电容C与电解电容R的乘积为75u*F ONC2.2 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: U5V1o (式2-1) D,U15V3i 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， VV50mVrrrrRm,25C (式2-2) ,，iIA0.20.210LNC与R的乘积趋于常数，约为5080*F。本例中取为75*F，由式(2-2)可得CR=25m，则C=3000F。 C2.2.3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
9、-3)、(2-4)所示: VVVVLiT,/ (式2-3) INOLONLONVVVLiT，,/ (式2-4) OLDLOFF根据Buck变换器的性能指标要求及二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻D压降V=0.1V，开关管导通压降V=0.5V。 LON将数据代入(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) OFFON1TTfus，,110又因为，可得T=3.73S，将此值回代式(1)，ONOFFSON100KHZ可得L=17.5H 6 三、BUCK变换器闭环PID控
10、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 Ry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。RRxy，一端接地。 Ry3.2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: 系统框图如下: 图3.2 Buck变换器系统框图 主电路图如下: 7 电源输入MOS开关变换器负荷Li+感应增益H(S)VgvRLC-误差信号门极驱动VcHvVe脉宽调制Gc(s),(t)补偿器参考输入VreftdTTss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r
11、ef比较产生的偏差通过补传递函数和H(s)反馈回路。采样电压与参考电压V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: VsCR1，INC (式3-1) vdG,2L1，ssLCR 带入(式3-1)数据得: ,515(17.510)，SvdG, ,58213.5105.2510，SS原始回路增益函数为: G0VsCR1，1INCGsGsHsGsHs()()()()(), (式3-2) Omvd2LVm1，ssLCR带入(式3-2)数据得: ,53115(17.510)30.22510，SSG,，,0.30,5
12、825821.513.5105.251013.5105.2510，SSSS8 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 G0由MATLAB得: 图3.5 开环传递函数的相角裕度和幅值裕度 G0相角裕度只有40.4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: 9 (1
13、)1()，sRCsRRC21133c Gs(),RCC212()(1)(1)sRCCssRC，11233CC，12,7232.101100.9167101，ssGs(), c,17310232.28102.865100.900410，sss滞后补偿网络有两个零点、三个极点。 有源超前-1fz1,零点为:=347.3046HZ ,21RC211fz2,=347.3046HZ 1331322,RRCRC，1fp2,fp1极点为:为原点，=1000000HZ ,RC3321fp3,=1000000HZ RCC212,212CC，R2频率fz1与fz2之间的增益可近似为:= 0.5091 AV1,R1
14、RRRR2132，3在频率fp2与fp3之间的增益则可近似为:= 1.46610，AV2,RRR133，fs100考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取 fgKHZ,2055(fs为开关频率) G(s)开环传函的极点频率为: 011fHZ,694.96， PP1,2,12,LC2，23.1417.53000101，GscGso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:211fzfzfHZ,，,。 12694.96347.48pp1,222，fffsKHZ,100Gsc将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹PP23波。 fRz221,cg2,AVGjf，= 0.5091
15、 g1fR10 fRp2232,cg2,AVGjf = ，1.46610，g3fRBUCK变换器闭环传递函数: GSGSGS,()()，0C,2451741138231.197101.504104.728103.18100.900410，sssssGs(),1137234.72710s8.365102.97510s3，s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-00
16、8F 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: 11 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: 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: , 输入直流电压:Vin=15V; , 输出直流电压:Vo=5V; , 开关频率:fs=100KHz; 12 , 输出电流:Io=10A; , 输出滤波电感:Lf=17.5
17、uH; , 输出滤波电容:Cf=3000uF; , 采样分压电阻:Rx=7K，Ry=3K; , 参考电压:Vref=1.5V; , 补偿网络:R1=19.647K，R2=10K，R3=6.8214，C1=0.45826nF，C2=159.15nF，C3=0.23332nF; , 载波信号:锯齿波Vm=1.5V，T=5ms 4.2Buck变换器闭环仿真电路原理图 图4.2 闭环仿真电路原理图 13 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
18、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
19、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。 14 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、
20、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=0.025 G0=tf(C*Rc*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; AV
21、1=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); 15 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 16
