电力电子课程设计BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真.docx
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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
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
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）:
15VIN
2、输出电压（Vo）:
5V
3、输出电流（I）:
10AN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与电解电容R的乘积为75uΩ*FONC
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A6152011.1.17—2011.1.21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
2.1Buck变换器性能指标...............................................................................................5
2.2Buck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
..............................................................................................................73.1反馈回路设计
3.2传函分析........................................................................................................................7
3.3补偿环节的设计..........................................................................................................9四、BUCK变换器闭环系统的仿真........................................................................................12
4.1Buck变换器闭环仿真参数及指标.......................................................................12
4.2Buck变换器闭环仿真电路原理图.......................................................................13
4.3Buck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。
电路的主要工作波形如图1.2。
QA
+Lf
+
VinUoRUbDCf
-
-
图1.1Buck变换器电路
Ub
QOffQONt0
UAVin
t0
iL
iL
t0
图1.2Buck变换器的主要工作波形
二、BUCK变换器主电路参数设计
2.1Buck变换器性能指标
1、输入直流电压（V）:
15VIN
2、输出电压（V）:
5VO
3、输出电流（I）:
10AN
4、输出电压纹波（V）:
50mVrr
5、PWM锯齿波基准电压（V）:
1.5Vref
6、负载调整率S?
5%I
5
7、开关频率（f）:
100kHzs
8、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=0.1V,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75uΩ*FONC2.2Buck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,,,U15V3i2.2.2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）,，iIA0.20.210LN
C与R的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF。
本例中取为75μΩ*F，由式（2-2）可得C
R=25mΩ，则C=3000μF。
C
2.2.3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（2-3）、（2-4）所示:
VVVVLiT,,,,,/（式2-3）INOLONLON
VVVLiT，，,,/（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）LON
LiT,,，，,/50.10.55.6
（2）LOFF
TT/47/28,
（1）/
（2）得（3）OFFON
1TTfus，,,,110又因为，可得T=3.73μS，将此值回代式
（1），ONOFFSON100KHZ
可得L=17.5μH
6
三、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计
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。
Ry
3.2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3.2Buck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
ref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,2L
1，，ssLC
R
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:
G0
VsCR1，，，1INCGsGsHsGsHs（）（）（）（）（）,,,,,,（式3-2）Omvd2LVm1，，ssLC
R带入（式3-2）数据得:
,53115（17.510）30.22510，，，，SS
G,，，,0.30,,,,5825821.513.5105.251013.5105.2510，，，，，，，，SSSS
8
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^-33];
den=[5.25*10^-83.5^-51];
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）[1（）]，，，sRCsRRC21133cGs（）,
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,21RC2
11fz2,,=347.3046HZ1331322,,RRCRC，，，
1fp2,fp1极点为:
为原点，=1000000HZ,RC332
1fp3,=1000000HZRCC212,2
12CC，
R2频率fz1与fz2之间的增益可近似为:
=0.5091AV1,R1
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:
0
11fHZ,,,694.96，PP1,2,12,LC2，，，，23.1417.5300010
1，，，，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:
2
11fzfzfHZ,,,，,。
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，，=0.5091g1fR
10
fRp2232,,cg2,AVGjf=，，1.46610，g3fR
BUCK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-008FC2=1.5915e-011FC3=2.3332e-008F
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4.1Buck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=17.5uH;
输出滤波电容:
Cf=3000uF;
采样分压电阻:
Rx=7KΩ，Ry=3KΩ;
参考电压:
Vref=1.5V;
补偿网络:
R1=19.647KΩ，R2=10KΩ，R3=6.8214Ω，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
4.3Buck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、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*10^3;R=0.5;Vm=1.5;H=0.3;Rc=0.025
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=fp2/fg*marg_G;
R2=3*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],[R3*C31]）;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
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