EDA实验BUCK电路的PID设计.docx

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EDA实验BUCK电路的PID设计

EDA实验报告

---基于Simplorer的BUCK电路的PID设计

院系：

自动化学院

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

学号：

指导教师：

胡文斌

完成时间：

2011

目录

1、实验目的2

2、实验要求2

3、实验原理2

3.1BUCK电路原理2

3.2PID控制3

4、系统参数设计4

5、系统建模与仿真4

5.1基本工作原理4

5.2仿真结果5

6.实验总结6

6.1实验中遇到的问题及其解决方法6

6.2实验感想6

7、致谢7

8、参考文献7

9、附件（实验三～六仿真与分析）7

实验3：

Three-PhaseRectiferwithResister/InductiveLoad7

实验4：

HysteresisCurrent-ControlledDCMotorStart-Up10

实验5：

CurrentandSpeedControlledDCMotor14

实验6：

UsingVHDL-AMSComponentsforModeling15

1、实验目的

对BUCK电路进行参数设计，并运用Simplorer7.0进行仿真。

2、实验要求

⑴Ui=30v,Uo=10v,Io=1A,fs=10kHz

⑵稳态误差100mV，系统超调0.3V

3、实验原理

3.1BUCK电路原理

BUCK电路是直流斩波电路的一种，其基本功能是将直流电转化为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DCConverter）。

下图为BUCK电路的原理图：

BUCK电路原理图

在BUCK电路中，负载电压的平均值为：

Uo=ton/（ton+toff）E=ton/T=αE（其中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关时间；α为导通占空比）。

由上式可知，输出负载的电压的平均值Uo最大为E，若减小占空比α，则Uo随之减少，因此将该电路称为降压斩波电路。

从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使电源的直流分量可以通过，而抑制其谐波分量通过；电容上输出电压Uc（t）就是电源的直流分量再附加微小纹波Ur（t）。

确定L、C、R参数，是电路设计关键。

通过控制BJT1的通断，来调节占空比，并能够影响R两端的输出电压。

当导通时，即等效开关接在N1上，D1断开，电流通过L、R，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于N2位时，D1导通，L相当于电源电感，电流减小，电感释能。

如果L过小，可能出现负载电流断续的情况。

等效电路模型

周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。

这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡。

3.2PID控制

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

PID控制模型

PID调节器各校正环节的作用：

1、比例环节：

即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

2、积分环节：

主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

3、微分环节：

能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

在设计BUCK电路时，适合用PID控制技术其精确控制。

为提高控制精度和抗干扰能力，并对PID参数进行整定通。

通过电压反馈实现，将实际输出电压与设定常数进行比较，得出的误差通过PID控制器进行调节后生成PWM波，最终反馈至BJT1端，控制其导通及关断，最终得到控制输出电压的效果。

4、系统参数设计

D=1/3

5、系统建模与仿真

5.1基本工作原理

电路原理图如下图所示（其中各个元件的参数在使用simplorer7.0软件绘制电路过程中均已按照要求设置）：

5.2仿真结果

输出电压图

输出电流图

从R1.V图中可以看出:

超调量：

10.29-10=0.29V<0.3V，满足要求；

稳态误差：

10-9.95=0.05V<0.1V,满足要求。

6.实验总结

6.1实验中遇到的问题及其解决方法

在做实验的时候，调PID控制器的时候，由于经验不足，不知道从哪里调起，调了很长时间，总是离老师的要求很远，最后通过不懈的女里终于调了出来，这个过程说明了做实验的时候一定要有耐心，不能急于求成，要一步步来，切勿焦躁。

6.2实验感想

本次实验运用了大三所学的电力电子技术的知识，已经相隔一年，有老多知识我都已经忘记。

刚开始我对于整个设计一度摸不到头脑，后来在老师的指导下，思路才慢慢清晰，最终完成了实验任务。

做这个实验要一步一步来，不能操之过急，要仔细认真。

我觉得最重要的是，在本次实验中全程都是我自己操作，在一开始的三天的练习实验中，让我熟悉了软件的使用，为做实验打下了坚实的基础。

通过本次实验，我对于电力电子知识有了更深刻的理解。

通过自己的认真思考和细心设计，掌握了知识在实际系统中的应用。

其次，对于Ansoft软件能熟练地进行操作。

另外，在解决实验中遇到问题的同时，也在一定程度上培养了自己细心地习惯。

为以后的实验和工作积累了经验，在一定程度上也奠定了基础。

7、致谢

本文的主要工作主要是在胡文斌老师的指导下完成的，让我熟悉了Ansoft软件的使用，更深入掌握了BUCK电路的原理和PID控制电路，在此，我要感谢胡老师，老师渊博的知识、独到的见解、镇密的思维都令我颇感敬佩，受益匪浅。

其次感谢学姐学长的大力支持和帮忙，不厌其烦、不辞辛苦的为我们解决实验中所遇到的每一个问题。

最后，也向所有帮助过我的同学和朋友表示衷心地感谢。

8、参考文献

1.王兆安，黄俊电力电子技术（第4版）机械工程出版社，2007

2.吴仲阳自动控制原理高等教育出版社，2005

3.黄锦安电路机械工程出版社

9、附件（实验三～六仿真与分析）

实验3：

Three-PhaseRectiferwithResister/InductiveLoad

（一）基本工作原理

电路原理图如下图所示：

该电路中，当某一对二极管导通时，输出的直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。

当没有二极管导通时，由电容向负载放电，

按指数规律下降。

（二）理论计算公式

输出电压平均值：

空载时，输出的电压平均值最大为

=2.45U2。

随着负载的加重，输出电压平均值减小到

=1.732进入输出电流为连续的情况后，输出电压的波形成为线电压的包络线，其平均值为

=2.34U2。

可见

在2.34U2-2.45U2之间变化。

当负载越加重的变化范围越小，在加到一定程度后，

就稳定在2.34U2。

电流平均值：

输出电流平均值为

=

/R,电容电流

平均值为0，所以

=

=

/R；二极管的电流平均值为

的1/3,即

＝

/3。

（3）仿真后输出的波形为：

三相电压源的输出电压波形

从图中可知：

三相电压源的电压幅值（327.50Kv）和电压频率（f=50Hz）

电容器两端的电压波形

从图中可以求出电容器选型的必要依据：

响应时间、充电时间、冲击电压（960V）以及两端电压的纹波系数。

电阻两端的电压波形

从上图可知，电阻两端电压的响应时间约为25ms，最终的稳定电压趋于400V，纹波系数为0.035。

二极管特性

实验4：

HysteresisCurrent-ControlledDCMotorStart-Up

●ControllerModelingUsingBlockDiagram

（一）基本工作原理

电路原理图如下图所示：

（2）仿真后输出的波形为：

直流电动机转速随时间变化

从图中可知，电动机的转速在一定的范围内随时间的变化成一斜率固定的直线增加；由实验讲义知，DC电动机的无负载转速接近2613r/m。

流过直流电动机的电流

由图可知，电动机的响应时间很短，这说明电动机的动转矩较大易起动；此外电动机上流过的电流变化较大，纹波系数最大处可达0.3。

这种情况说明，电动机的运行受到了外界因素、电压以及电容电感的影响。

二极管的特性曲线

从图中可以估算出，二极管的开启电压约为770mv左右。

●ControllerModelingUsingStateGraph

（一）基本工作原理

电路原理图如下图所示：

（二）仿真后输出的波形为：

直流电动机转速随时间变化

流过直流电动机的电流

二极管的特性曲线

实验5：

CurrentandSpeedControlledDCMotor

（一）基本工作原理

电路原理图如下图所示：

（2）仿真后输出的波形为：

Current、Speed、Load波形

由上图可知，通过采集电动机的电流和转速，在PID控制调节下，电动机纹波得到了很好的改善，纹波系数减小了；电动机的起动时间大大减少，到一定时间后电动机的转速波动很小，减小了电动机运行过程中出现的大振动。

实验6：

UsingVHDL-AMSComponentsforModeling

（一）基本工作原理

电路原理图如下图所示：

（二）仿真后输出的波形为：

Current、Speed、Load波形