DCtoDC变换器控制策略设计报告Word格式.docx
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4.2.补偿环节的设计7
4.3.BUCK变换器闭环仿真8
五、附录10
一、实验目的
DC/DC变换器可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调直流开关电源及直流电机驱动中。
Buck变换器是DC/DC变换器中最具代表性的拓扑结构之一。
在工程实际中，Buck变换器的控制方式可以开环和闭环来实现。
其中闭环控制方式又可分为PI校正，PID控制，fuzzy控制等方式。
本文首先会建立Buck变换器的模型，然后会分别进行开环、PID控制器校正，并在MATLAB/SIMULINK上进行仿真。
二、设计内容及要求
1、输入电压（Ui）：
28V
2、输出电压（Uo）：
15V（1%稳定度）
3、额定电流（Io）：
5A
4、开关频率（f）：
60kHz
5、相位裕度（α）：
＞60°
三、开环Buck电路设计与仿真分析
1.
2.
3.
3.1.开环Buck主电路图设计
依据经典Buck电路图，设计的电路图如下所示：
图3.1开环Buck电路
3.2.参数计算与选择
依据设计要求，对Buck电路中未知参数进行选定。
（1）占空比取
；
（2）滤波电感L取50μH；
（3）滤波电容C取500μF。
3.3.开环BUCK电路模型建立
在simulink中搭建Buck电路的仿真模型，使用开关器件是MOSFET，如图3.2所示。
图3.2开环Buck电路仿真模型
3.4.开环Buck电路仿真及结果分析
对所建立的模型进行仿真，得出电压波形和负载电流波形图。
图3.3电压波形
图3.4负载电流波形
由仿真结果可以看出，电路输出电压为14.4V，电流输出为4.8A，显然不满足设计要求。
在对滤波电感、电容进行调节时，发现电感、电容与电路性能的规律：
电感越小，超调越大，越稳定；
电容越小，超调越小，纹波越大。
因此，需要在稳定度，超调量，纹波电压之间进行折衷，对电感、电容进行调节。
因此需要对电路进行闭环调节，本设计采用PID控制校正方式。
3.5.开环传递函数
利用小信号模型，对Buck电路进行建模，得到其开环传递函数为
（3.1）
其中，RC为滤波电容的ESR，Buck电路的纹波电压，主要是由电容的寄生电阻ESR和电容容量决定，所以要想对电路纹波进行比较精确地控制必须考虑寄生电阻的影响，而对于一般的电容，其C与寄生电阻Rc的乘积趋于常数，约为50～80μΩ∗F。
本例中取为50μΩ∗F。
所以Rc=0.1Ω
代入数据得
（3.2）
原始回路增益G0为：
（3.3）
（3.4）
使用以下代码画出开环状态下的Bode图：
num=[1.05e-42.1];
den=[2.5e-81.667e-51];
H=tf（num,den）;
margin（H）;
grid;
相角裕度只有34.9度，相角裕度过低，不满足设计要求。
可采取有源超前滞后校正器。
四、闭环Buck电路设计与仿真分析
4.
4.1.反馈回路设计
补偿网络电路基本原理如图4.1所示.
图4.1有源超前-滞后补偿网络
反馈回路即H（s）取0.3，即
为0.3。
取Ry为3K欧姆，Rx为7K欧姆，Ry一端接地。
4.2.补偿环节的设计
根据已知条件使用MATLAB程序（见附录）算得一下各参数值，并在满足相位裕度为60度的条件下对其进行微调。
补偿器的传递函数是：
（4.1）
带入数据计算得
（4.2）
BUCK变换器闭环传递函数：
（4.3）
（4.4）
根据已知条件使用MATLAB并微调算得校正器各元件的值如下：
num=[1.061e-112.789e-71.44e-32.1];
den=[1.113e-183.575e-131.399e-91.501e-54.468e-20];
图4.2Bode图
4.3.BUCK变换器闭环仿真
电路原理图为：
图4.3Buck变换器闭环仿真电路原理图
闭环仿真结果：
图4.4Buck变换器闭环仿真结果
五、附录
补偿电路环节参数选取程序：
clc;
clear;
Vg=28;
L=5*10^-5;
C=5*10^-4;
fs=50*10^3;
R=3;
Vm=4;
H=0.3;
Rc=0.1;
G0=tf（[C*Rc*Vg*H/VmVg*H/Vm],[L*CL/R1]）
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;
AV1=fz2/fg*marg_G;
AV2=fz2/fg*marg_G;
R2=10^3;
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*R21],[（R1+R3）*C31]）;
den1=conv（[（C1+C2）*R10],[R1*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）
grid
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