基于PID控制方式Buck電路綜合設(shè)計(jì)

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1、[鍵入文字]基于PID控制方式的10A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：13電氣卓越姓名：周沁學(xué)號(hào)：1302044413[鍵入文字]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(diǎn)有輸出電流紋波小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變比可調(diào)，實(shí)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(qiáng)。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達(dá)到所需的等級(jí)，減小其電壓紋波，現(xiàn)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。二、設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入直流電壓(VIN)：12V輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN

2、)：10A輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開(kāi)關(guān)頻率(fs)：100kHz。三、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)1、濾波電容參數(shù)的計(jì)算輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)：Rc=Vrr?iL=Vrr0.2IN=502=25mΩ⑴因?yàn)镃與Rc的乘機(jī)趨于常數(shù)，約為50～80μ*ΩF，本例中取為75μ*ΩF，由⑴式可得：Rc=25mΩ，C=3000μF。2、濾波電感參數(shù)的計(jì)算開(kāi)關(guān)管閉合與導(dǎo)通的基爾霍夫電壓方程分別為⑵、⑶式：VIN-VO-VL-VON=L?iLTON⑵VO+VL+VD=L?iLTOFF⑶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.

3、1V，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降VON=0.5V，?iL=0.2IN=2?？傻?2-5-0.1-0.5=2LTON=6.45+0.1+0.5=2LTOF=5.6TON+TOFF=1f=10μs?TOFF=5.3μsTON=4.7μsL=14.84μH13[鍵入文字]圖1Buck變換器的主電路1、用MATLAB軟件仿真當(dāng)L=15μH時(shí)，MATLAB仿真如圖2所示，電流在9.04～9.14A之間脈動(dòng)，符合?iL≤0.2IN的要求。圖2電感電流13[鍵入文字]四、原始回路的設(shè)計(jì)采用小信號(hào)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+sCR

4、c)1+sLRL+s2LC⑷假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm=1.5V，Rx=3kΩ，Ry=1.3kΩ,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=0.5Ω，將以上值帶入⑷可得G0(s)=2.4(1+75×10-6)1+29.68×10-6s+4.45×10-8s2⑸由原始回路得到的波特圖如圖3所示，MATLAB程序如下：num1=[0.000182.4];?den1=[0.0000000445?0.00002968?1];figure(1);?13[

5、鍵入文字][mag,phase,w]=bode(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。13[鍵入文字]五、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)圖4PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為Gc(s)=Gcm1+sωz(1+ωLs)1+sωp⑹其中，Gcm=-RfR1+R2,ωz=1R2C2,ωL=1RfCf,ωp=R1+R2R1R2C2為了提高穿越頻率，設(shè)加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿

6、越頻率fc是開(kāi)關(guān)fs的十分之一，即fc=fs10=10kHz假設(shè)選擇的倒置零點(diǎn)的頻率為穿越頻率的二十分之一。即fL=fc20=500Hz設(shè)相位裕度φm=52°，則零點(diǎn)頻率fz=fc1-sinφm1+sinφm=10×1-sin52°1+sin52°=3.44kHz極點(diǎn)頻率fp=fc1+sinφm1-sinφm=10×1+sin52°1-sin52°=29.04kHz雙重極點(diǎn)頻率fp0=ωp02π=12πLC=12π14.84×10-6×3000×10-6=0.754kHz直流增益Gcm=fcfp021A0(0)fzfp=100.754212.43.4429.04=25.22零

7、點(diǎn)角頻率ωz=2πfz=2π×3.44=21.61kHz極點(diǎn)角頻率ωp=2πfp=2π×29.04=182.45kHz倒置零點(diǎn)角頻率ωL=2πfL=2π×500=3.14kHz13[鍵入文字]可得補(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)得到的波特圖如圖5所示，MATLAB程序如