1、 BUCK電路閉環PID控制系統的MATLAB仿真一、課題簡介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，取決于開關頻率、濾波電感L和電容C的數值。簡單的BUCK電路輸出的電壓不穩定，會受到負載和外部的干擾，當加入PID控制器，實現閉環控制。可通過采樣環節得到PWM調制波，再與基準電壓進行比較，通過PID控制器得到反饋信號，與三角波進行比較，得到調制后的開關波形，將其作為開關信號，從而實現BUCK電路閉環PID控制系統。二、BUCK變換器主電路參數設計 2.1設計及內容及要求1、 輸入直流電壓(VIN)：15V2、 輸出電壓(VO)

2、：5V3、 輸出電流(IN)：10A4、 輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV 5、 鋸齒波幅值Um=1.5V6、開關頻率(fs)：100kHz7、采樣網絡傳函H(s)=0.38、BUCK主電路二極管的通態壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關管導通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為 2.2主電路設計根據以上的對課題的分析設計主電路如下：圖2-1 主電路圖1、濾波電容的設計因為輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關， （1）電解電容生產廠商很少給出ESR，但C與RC的乘積趨于常數，約為5080*F3。在本課題中取為75*F，由式(1)可得RC=25m，C

3、=3000F。2、濾波電感設計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)所示： （2） （3） (4)由上得： (5)假設二極管的通態壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關管導通壓降VON=0.5V。利用，可得TON=3.73S，將此值回代式(5)，可得L=17.5H3、占空比計算 根據： (6)由上得：，可得TON=3.73S，則D=0.373三、BUCK變換器PID控制的參數設計PID控制是根據偏差的比例P)、積分I)、微分D)進行控制，是控制系統中應用最為廣泛的一種控制規律。通過調整比例、積分和微分三項參數，使得大多數工業控制系統獲得良好的閉環控制性能

4、。PID控制的本質是一個二階線性控制器，其優點：1、技術純熟；2、易被人們熟悉和掌握；3、不需要建立數學模型；4、控制效果好；5、消除系統穩定誤差。 3.1主電路傳遞函數分析圖3-1 主電路 （1） (2)原始回路增益函數為： (3) 帶入數據得： 3.2補償環節的設計補償器的傳遞函數為： (5)有源超前-滯后補償網絡有兩個零點、三個極點。 (6) (7) (8) (9) (10)零點為：, (11)極點為：為原點， (12)頻率與之間的增益可近似為:在頻率與之間的增益則可近似為：考慮達到抑制輸出開關紋波的目的，增益交接頻率取 （為開關頻率）開環傳函的極點頻率為： (13)將兩個零點的頻率設計

5、為開環傳函兩個相近極點頻率的，則： 。 (14)將補償網絡兩個極點設為以減小輸出的高頻開關紋波。 根據已知條件使用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-008F C2=1.5915e-011F C3=2.3332e-008Ffz1 =347.3046HZ fz2 =347.3046HZ fp2 = 1000KHZ fp3 =1000KHZAV1 =0.5091 AV2 =1.4660e+003 由（2）（3）式得：G(s)=1.197e-024s5+1.

6、504e-017s4+4.728e-011s3+3.18e-008s2+0.0009004s/4.727e-011s3+8.365e-007s2+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： 圖4-1-2加入補償器后系統的伯德圖相角裕度和幅值裕度為：圖4-1-3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）四、BUCK變換器系統的仿真 4.1仿真參數及過程描述仿真參數： G(s)=1.197e-024s5+1.504e-017s4+4.728e-011s3+3.18e-008s2+0.00090

7、04s/4.727e-011s3+8.365e-007s2+0.002975s+3 4.2仿真模型圖及仿真結果圖4-2-1 主電路仿真圖圖4-2-2 仿真波形圖4-2-3 加PID控制的仿真電路圖4-2-4 仿真波形五、總結本設計論文完成了設計的基本要求詳盡的闡述了設計依據，工作原理敘述，BUCK電路的設計，PID控制設計，傳遞函數參數計算，電路仿真。在進行本設計論文撰寫時，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、參數的基數過程，所用器件的選擇都進行了深入的闡述。我能夠認真撰寫論文，對論文進行進一步的修改。深入研究課題所涉及的內容，希望此設計能夠對達到其預期的

8、效果。由于時間和自身水平的限制，我所做的設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驗和教訓。通過這次的課程設計，我了解到怎樣把自己在書本上學習到的知識應用到實際的工作之中，也學到很多待人處事的道理，想這在我以后的工作和學習中將是我的寶貴財富。程序clc;Clear;Vg=;L=;C=;fs=;R=;Vm=;H=;G0=tfVg*H,L*CFigure(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*103;R3=R2/AV2;C1=1/(2*pi*fz1*R2);C3=1/(2*pi*fzp2*R3);C2=1/(2*pi*fp3*R2);R1=1/(2*pi*C3*fz1);Num=conv(C1*R2 1,(R2+R3)*C3 1)