【正文】 進一步提高 Matlab 軟件的應(yīng)用水平，為仿真與設(shè)計更多電路打下良好的基礎(chǔ)。本文研究了 BUCK型 DC/DC 變換器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了 PID 雙閉環(huán)控制，并對其雙閉環(huán)控制進行了仿真驗證。 加入 PID 控制器的電路拓補結(jié)構(gòu)如下： 圖 加 PID校正后仿真電路 輸出電壓、電路波形如下： 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 輸出電壓波形 圖 輸出電流波形 由輸出電壓、電流波形知，各項指標(biāo)都達到了較高的控制精度。應(yīng)該指出，在整定中參數(shù)的選定不是惟一的。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需要用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。減小 ki 有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對于干擾信號的抑制能力將減弱。 PID 控制就是指校正環(huán)節(jié)采用skskksG dipc ??? 1)( 這種形式的比例積分微分環(huán)節(jié)。 加上 PI 控制器后的電路模型如下： 圖 加 PI校正后仿真電路 加入 PI 控制器后的輸出電壓、電流波形如下： 圖 輸出電壓波形 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 輸出電流波形 由圖可以看出紋波電壓為 40mV, 換載時有一定的尖峰電壓，但仍基本 上滿足要求；換載前電流為 ，換載后電流為 ，換載前的電流有一點偏小，這是需要完善的地方。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 下面給出具體的方法。又因為它有又半平面的開環(huán)零點，可以緩和 PI 零極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。所以下面的工作主要考慮如何減小穿越頻率，從而 達到系統(tǒng)的控制要求。根據(jù)穩(wěn)定環(huán)路的準(zhǔn)則：一、幅頻曲線的穿越頻率范圍為開關(guān)頻率的 1/5～ 1/4,因為本文所選開關(guān)頻率為 sradK20 ，而此時穿越頻率 sr a dc ??? ，顯然穿越頻率過大。 代入數(shù)據(jù)得： )11018(245285 ???? ?????? ss sG vd （ 52） 畫出其開環(huán)狀態(tài)下的 伯德 圖如下： 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 開環(huán)狀態(tài)下 伯德 圖 輸入程序如下： num=[,24]。因此需要對電路進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，本設(shè)計采用 PI 和 PID 兩種控制校正方式[15]。 5 0050100150Magnitude (dB)101102103104105106 1 8 0 1 3 5 9 0 4 50Phase (deg)B o d e D i a g r a mF r e q u e n c y ( r a d / s e c ) 圖 電壓環(huán)補償網(wǎng)絡(luò)傳函伯德圖 加入補償網(wǎng)絡(luò)后，整個電路系統(tǒng)的開環(huán)傳函 vovGGG(s)? ，其特性曲線如下。 電壓環(huán)未加入補償時，電路開路傳函為 1s CR 1)R(s CR1)Rs C(R 1)R(s CR)RsC1/ / (RG 0 0ss0 0ss0vo ????? ???? （ 48） 該傳函頻率特性曲線如下圖， 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 4 0 2 002040Magnitude (dB)101102103104105106107108 9 0 4 50Phase (deg)B o d e D i a g r a mF r e q u e n c y ( r a d / s e c ) 圖 未加補償網(wǎng)絡(luò)時電壓開環(huán)傳函伯德圖 圖 中，幅頻特性中包含一個極點， 370r ad/ s103090 1RC1w6z1 ????? ? （ 49） 包含一個零點， r ad / 1CR 1w 66sp1 ?????? ? （ 410） 根據(jù)圖 中的曲線 3 以及 中的幅頻特性曲線，可推測補償網(wǎng)絡(luò)傳函形式： 1)ws1)(ws(s1)ws1)(ws(kGp3p22z3z2vv????? （ 411） 零點 32 zz ww、 由 1zw 大致確定， 32 pp ww、 受到 Aw 限制。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 電壓環(huán)控制框圖 設(shè)計電壓環(huán)時，我們也希望將其開環(huán)特性設(shè)計成如下曲線。 曲 線 1曲 線 2M a g n i t u d e（ d B ） 2 0 d B 4 0 d B 2 0 d B 4 0 d BABW c i 圖 計劃加入補償后的伯德圖 圖中，含 A、 B 兩轉(zhuǎn)折點，設(shè)定 A 處角頻率 62800r ad/ s2 ππ101w101wssA ??? （ 42） s100000r ad/2 ππ2 π1w2 π1wssci ??? （ 43） 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 B 處角頻率 sr a d / 6280002 ππww ssB ??? （ 44） 根據(jù)這些條件，我們可以推出所加補償網(wǎng)絡(luò)的傳函 1)wss(1wskGBAii??? （ 45） 加入了補償環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的開環(huán)傳函為 1)w s(s1w sLkK P W M(s )G(s )G(s )39。 電流內(nèi)環(huán)設(shè)計 先不考慮電壓環(huán)，則電流內(nèi)環(huán)框圖如下圖 ?？紤]一定的裕量，選用肖特基二極管SR1501，其電壓和電流額定值為： 120V/2A。由于最大輸出電壓為 24V，則電容的耐壓值為 24V。該 Buck變換器的輸出電壓紋波要求 Vout(pp)25mv。當(dāng)用 26 根由線徑為 的漆包線來繞制時，其總的 面積為： 22Lf ????? （ 37） 取填充系數(shù) ? ，則需要磁芯的窗口面積為： 2uLfCW SA ??? （ 38） 手冊表明， FEER42 的窗口面積為 2CW mmA ? ，遠遠超過所需窗口面積，因此可以繞下。由下式計算得： m πδNIμB 7L f ( m ax )0m ??????? （ 35） FEER42 磁芯的材質(zhì)為 2500B,其飽和磁密為 200mTBs ? ，顯 然 sm BB ? ，符合要求。 （ 2）濾波電感 Lf 設(shè)計 ① fL 的電流時單向流動的，流過繞組的電流具有較大的直流分量，并疊加一個較小的交流分量，屬于第三類工作狀態(tài)。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三章 Buck 變換器主電路設(shè)計 占空比 D 根據(jù) Buck 變換器的性能指標(biāo)要求及 Buck 變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍： 0 .54 8 V2 4 VUUD0 .46 0 V2 4 VUUD0 .83 0 V2 4 VUUDiNonomim a xom inim inom a x????????? （ 31） 濾波電感 Lf （ 1）濾波電感量 Lf 計算 變換器輕載時，如果工作在電流連續(xù)區(qū)，那么為了保持一定的輸出電壓，占空比大為減小，也就是說開關(guān)管導(dǎo)通時間很短。o f fonoion)TU(L1Δi)TU(UL1Δi???? （ 211） 穩(wěn)態(tài)時， 39。of f39。當(dāng)負載電流減小時，可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。在 t1 時刻，開關(guān)管 Q 恰好關(guān)斷，二極管 D 導(dǎo)通。 在一個開關(guān)周期中，變換器有 2 種開關(guān)模態(tài)，其等效電 路如 圖 和圖 所示。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第二章 Buck 變換器基本原理 Buck 變換器工作原理 Buck 電路是由一個功率晶體管開關(guān) Q 與負載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖 。 第四章分析了 Buck 變換器雙 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，從電流內(nèi)環(huán)到電壓外環(huán)，依次分析設(shè)計。 論文結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容 第一章為緒論部分。但由于其設(shè)計需要在線估計或辨識參數(shù) ，導(dǎo)致實現(xiàn)困難，而且存在實時性問題。 自適應(yīng)控制 20 世紀(jì) 50 年代初提出的自適應(yīng)控制方法是根據(jù)響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)對應(yīng)變量的偏差和控制參數(shù)的偏差來調(diào)整響應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化，最終使響應(yīng)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)同步。 雖然魯棒控制解決了輸入電壓變化的問題 ，但其線性化小信號建模精確度不高，而且控制器結(jié)構(gòu)不可變，下面介紹的滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制 ，這兩種控制 能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的控制效果 [8]。但這種控制方案的缺點是忽略了輸入電壓擾動，若輸入電壓擾動不為零，將會影響系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定 [7]。這些新控制方法的提出，使 DC/DC 變換器的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零，動態(tài)性能獲得很大改善，而且對參數(shù)的不確定性和負載的多變性也有很好的魯棒性。傳統(tǒng)的控制方法都是基于線性系統(tǒng)理論，很難實現(xiàn)較好的動態(tài)性能。我國目前能源緊缺， 而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，因此我們在設(shè)計 DC/DC 開關(guān)電源產(chǎn)品時，轉(zhuǎn)換效率必須作為一個重要的指標(biāo)加以考慮。 20 世紀(jì) 90 年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進入快速發(fā)展時期。受這些缺點的限制 ,線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、可靠性高等優(yōu)點。最后進行了 Buck 變換器雙閉環(huán)控制 的仿真研究，其中首先介紹了電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)和電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)，然后利用 Matlab 進行了仿真驗證。 通過采樣環(huán)節(jié)得到所需電壓 /電流信號，再與基準(zhǔn)值進行比較， 然后 通過閉環(huán)控制器得到反饋信號，與三角波進行比較，得到調(diào)制后的開關(guān)波形，將其作為開關(guān)信號，從而實現(xiàn) BUCK 電路閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此無論從理論的成熟角度來講，還是從實驗條件的具備方面來說，這個課題都具備良好的可操作性，此方案可行。 Buck 電路閉環(huán)仿真，并根據(jù)要求的功能和性能指標(biāo)進行誤差分析。 2．掌握對 Buck 變換器雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)建模。 智能控制 智能控制是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制策略。此外，逆向自適應(yīng)控制，雙環(huán)自適應(yīng)控制和模型參考自適應(yīng)控制等均已成功用于 DC/ DC 變換器?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性 ，它 使得系統(tǒng)在滑動模態(tài)下不僅保持對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動態(tài)性能 。文獻 [8]中提出了兩個自由度控制的設(shè)計思想，來實現(xiàn) DC/ DC 變換器的魯棒控制。文獻 [7]應(yīng)用此模型對 Boost電路進行閉環(huán)控制，不僅保證了充足的穩(wěn)定裕量，而且實現(xiàn)了較好的瞬態(tài)響應(yīng)。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多 DCDC 變換器新的控制方法以提高系統(tǒng)性能。因此研究 BUCK 變換器的性能具有重要的理論和現(xiàn)實意義 [5][6]。經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定 等優(yōu)點而逐漸取代線性穩(wěn)壓電源并得到了廣泛應(yīng)用 [2]，各種電池供電的電子產(chǎn)品如照相機、攝像機、錄像機、個人數(shù)字助理、手機、手提電腦都需要 DC/DC 變換器等開關(guān)電源芯片 [3]。而