BUCK电路PID控制器设计及仿真.docx

传播 传播优秀％rd版文档?希垫对您有帝助?可双击去除! 传播优秀％ 传播优秀％rd版文档?希垫对您有帝助?可双击去除! (1) BUCK电路PID控制器设计及仿真 本文在BUCK电路传递函数的基础上对BUCK电路的开环特性进行了分析，并 利用MATLAB的SISOTOOL工具箱设计了 PID控制器，然后用以运放为核心搭建了 PID控制器硕件电路，最后在PSIM上对BUCK电路进行闭环仿真。 1.设计指标 输入直流电压(Vin): 28V 输出电压(Vo)： 15V 基准电压(Vref): 5V 开关频率(fs)： 100kHz 三角载波峰峰值：Vm=4V 图1 buck变换器主电路 2. PID控制器设计 2 .1原始系统分析 BUCK变换器构成的负反馈控制系统如图3. 1所示: 图2 BUCK变换器闭环系统 其中Gvd(s)为占空比至输出电压的传递函数，Gm(s)为PWM脉宽调制器的 传递函数，H(s)表示反馈分压网络的传递函数，Gc(s)是误差信号E(s)至控制量 Vc(s)的传递函数，为补偿网络的传递函数。 本系统中，PWM调制器的传递函数为: 式中，Vm为PWM调制器中锯齿波的幅值。 反馈分压网络的传递函数为： Hs=VrefVo=515=13 (2) 占空比至输出电压的传递函数为： Gvds=VoDll+sLR+s2LC (3) 英中 Vo=15V, D=Win=1528=0.536, L=50uH, R=3 Q , C=500 u F。 将参数代入式(3)可得， Gvds=282.533xl0-8s2+1.675xl0-5s+l (4) 对于BUCK变换器系统，其回路增益函数G(s)H(s)为 GsHs=GcsGmsGvdsHs=GcsGos (5) 式中， Gos=GmsGvdsHs (6) 为未加补偿网络Ges时的回路增益函数，称为原始回路增益函数,将式子(1)、 (2)、(4)可得本系统中原始回路增益函数 Gos=283.04xl0-7s2+ 0.000201S+1 (7) 根据式(7)可做出系统原始回路增益函数波特图如图3所示： 图3原始回路增益函数波特图 从图3中可以看出穿越频率为fc二1?82kHz,相位裕度为Wnp4? 72deg,从表 面上看，系统是稳定的，但是如果系统中的参数发生变化，系统可能会变得不稳 定；另外穿越频率太低 系统的响应速度很慢。所以，要设计一个合理的补偿网 络是系统能够稳定工作。 2 .2 PID控制器设计 原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。为此，我们可以给系统 加入一个PD控制器提高相位裕度太低和穿越频率。另外为了使系统在远低于穿 越频率下工作时有更好的调节性能，我们可以对系统进行PI调节。因此，需要 设计一个PID控制器对系统进行调节。使用MATLAB的SISOTOOL工具箱设计好 的PID控制器及其传递函数分别如图4和图5所示，回路增益函数波特图如图6 所示。 Edit Selected DynamicsFypc Location DampingReal Zero -1.09e-04 1Frcque...1 74 Edit Selected Dynamics Fypc Location Damping Real Zero -1.09e-04 1 Frcque... 1 74 Real Pole -9.27e-04 1 14.7 Integrator 0 j Real Zero -3.21 e+03 1 0.512 Dynamics Right-click to add or delete poles/zeros Select a single row to edit value? Compensator (1 4 9.1e-05s) (1 4 0.00031s) x lC 7 = 11976 s li + 】?i Pole/Zero 图4 PID控制器设讣 图5 PID控制器波特图 传播优秀 传播优秀Word版文档.席垫对您有帝助.可双击去除! 传播优秀 传播优秀Word版文档.席垫对您有帝助.可双击去除! op”亠gp runat Op^ri「3。”6-1 op”亠gp runat Op^ri「3。”6-1 -暑Rr 1O hHc 图6回路增益函数波特图 从图6中可看到加入PID调节器后系统的相位裕度提高到了 47. 7deg,穿越 频率提高到了 5. 19kHzo 3.系统仿真 3.1 PID控制器硬件设计 本系统采用如图7所示的基于运算放大器的PID控制器，其传递函数为 Gcs=(1+sC2R2)(1+sC1R1)(sC2R1)(1+sC1R3) (7) 图7基于运算放大器的PID控制器 传递函数有两个零点和极点：零点fzl=12nC2R2, f