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BUCK电路闭环PID控制系统

的MATLAB仿真

一、课题简介

BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。

二、BUCK变换器主电路参数设计

2.1设计及内容及要求

1、 输入直流电压(VIN)：15V 2、 输出电压(VO)：5V 3、 输出电流(IN)：10A

4、 输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV 5、 锯齿波幅值Um=1.5V 6、开关频率(fs)：100kHz 7、采样网络传函H(s)=0.3

8、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降 VON=0.5V,滤波电容C与电解电容

75???FRC的乘积为

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2.2主电路设计

根据以上的对课题的分析设计主电路如下：

图2-1 主电路图

1、滤波电容的设计

因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，

VrrVrrRC???iL0.2IN （1）

电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF[3]。在本课题中取为75μΩ*F，由式(1)可得RC=25mΩ，C=3000μF。

2、滤波电感设计

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)所示：

VIN?VO?VL?VON?L?iL/TON（2）

VO?VL?VD?L?iL/TOFF （3） Toff?Ton?1/fs (4)

由上得：

Vin?Vo?VL?VDL?Ton?iL (5)

假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。利用TON?TOFF?1fS，可得TON=3.73μS，将此值回代式(5)，可得L=17.5μH

2

3、占空比计算

根据：D?Ton (6) T由上得：TON?TOFF?1fS，可得TON=3.73μS，则D=0.373

三、BUCK变换器PID控制的参数设计

PID控制是根据偏差的比例P)、积分I)、微分D)进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。

PID控制的本质是一个二阶线性控制器，其优点：1、技术纯熟；2、易被人们熟悉和掌握；3、不需要建立数学模型；4、控制效果好；5、消除系统稳定误差。

3.1主电路传递函数分析

图3-1 主电路

GvdVIN?1?sCRC?? （1）

L21?s?sLCR (2)

15(1?7.5?10?5S)Gvd?1?3.5?10?5S?5.25?10?8S2

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