EDA實驗(BUCK電路的PID設(shè)計)

1、EDA實 驗 報 告 -基于Simplorer的BUCK電路的PID設(shè)計院 系：自動化學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動化姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：胡 文 斌完成時間：2011 目 錄1、實驗?zāi)康?2、實驗要求23、實驗原理23.1 BUCK電路原理23.2 PID控制34、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計45、系統(tǒng)建模與仿真45.1基本工作原理45.2仿真結(jié)果56.實驗總結(jié)66.1 實驗中遇到的問題及其解決方法66.2 實驗感想67、致謝78、參考文獻(xiàn)79、附件（實驗三六仿真與分析）7實驗3：Three-Phase Rectifer with Resister/Inductive Load7實驗4：Hysteresi

2、s Current-Controlled DC Motor Start-Up10實驗5：Current and Speed Controlled DC Motor14實驗6：Using VHDL-AMS Components for Modeling151、實驗?zāi)康膶UCK電路進行參數(shù)設(shè)計，并運用Simplorer 7.0 進行仿真。2、實驗要求 Ui=30v,Uo=10v,Io=1A,fs=10kHz 穩(wěn)態(tài)誤差 100mV，系統(tǒng)超調(diào) 0.3V3、實驗原理3.1 BUCK電路原理BUCK電路是直流斬波電路的一種，其基本功能是將直流電轉(zhuǎn)化為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變

3、換器（DC/DC Converter）。 下圖為BUCK電路的原理圖：BUCK電路原理圖在BUCK電路中，負(fù)載電壓的平均值為：Uo = ton / (ton + toff) E = ton / T = E (其中，ton為V處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)時間；為導(dǎo)通占空比)。由上式可知，輸出負(fù)載的電壓的平均值Uo最大為E，若減小占空比，則Uo隨之減少，因此將該電路稱為降壓斬波電路。從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計的原則是使電源的直流分量可以通過，而抑制其諧波分量通過；電容上輸出電壓Uc(t)就是電源的直流分量再附加微小紋波Ur(t)。確定L、C、

4、R參數(shù)，是電路設(shè)計關(guān)鍵。 通過控制BJT1的通斷，來調(diào)節(jié)占空比，并能夠影響R兩端的輸出電壓。當(dāng)導(dǎo)通時，即等效開關(guān)接在N1上，D1斷開，電流通過L、R，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)S 置于N2位時，D1導(dǎo)通，L相當(dāng)于電源電感，電流減小，電感釋能。如果L過小，可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。等效電路模型周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)

5、直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡。3.2 PID控制在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參

6、數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。 PID控制模型PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用： 1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。 2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。 3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。在設(shè)計BUCK電路時，適合用PID控制技術(shù)其精確控制。為提高控制精度和抗干擾能力，并對PID參數(shù)

7、進行整定通。通過電壓反饋實現(xiàn)，將實際輸出電壓與設(shè)定常數(shù)進行比較，得出的誤差通過PID控制器進行調(diào)節(jié)后生成PWM波，最終反饋至BJT1端，控制其導(dǎo)通及關(guān)斷，最終得到控制輸出電壓的效果。4、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計D = 1/3 5、系統(tǒng)建模與仿真5.1基本工作原理電路原理圖如下圖所示（其中各個元件的參數(shù)在使用simplorer7.0軟件繪制電路過程中均已按照要求設(shè)置）：5.2仿真結(jié)果輸出電壓圖輸出電流圖從R1.V圖中可以看出:超調(diào)量：10.29-10=0.29V < 0.3V，滿足要求； 穩(wěn)態(tài)誤差：10-9.95=0.05V < 0.1V,滿足要求。6.實驗總結(jié)6.1 實驗中遇到的問題及其解決方

8、法在做實驗的時候，調(diào)PID控制器的時候，由于經(jīng)驗不足，不知道從哪里調(diào)起，調(diào)了很長時間，總是離老師的要求很遠(yuǎn)，最后通過不懈的女里終于調(diào)了出來，這個過程說明了做實驗的時候一定要有耐心，不能急于求成，要一步步來，切勿焦躁。6.2 實驗感想本次實驗運用了大三所學(xué)的電力電子技術(shù)的知識，已經(jīng)相隔一年，有老多知識我都已經(jīng)忘記。剛開始我對于整個設(shè)計一度摸不到頭腦，后來在老師的指導(dǎo)下，思路才慢慢清晰，最終完成了實驗任務(wù)。做這個實驗要一步一步來，不能操之過急，要仔細(xì)認(rèn)真。我覺得最重要的是，在本次實驗中全程都是我自己操作，在一開始的三天的練習(xí)實驗中，讓我熟悉了軟件的使用，為做實驗打下了堅實的基礎(chǔ)。通過本次實驗，我對

9、于電力電子知識有了更深刻的理解。通過自己的認(rèn)真思考和細(xì)心設(shè)計，掌握了知識在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用。其次，對于Ansoft軟件能熟練地進行操作。另外，在解決實驗中遇到問題的同時，也在一定程度上培養(yǎng)了自己細(xì)心地習(xí)慣。為以后的實驗和工作積累了經(jīng)驗，在一定程度上也奠定了基礎(chǔ)。7、致謝本文的主要工作主要是在胡文斌老師的指導(dǎo)下完成的，讓我熟悉了Ansoft軟件的使用，更深入掌握了BUCK電路的原理和PID控制電路，在此，我要感謝胡老師，老師淵博的知識、獨到的見解、鎮(zhèn)密的思維都令我頗感敬佩，受益匪淺。其次感謝學(xué)姐學(xué)長的大力支持和幫忙，不厭其煩、不辭辛苦的為我們解決實驗中所遇到的每一個問題。最后，也向所有幫助過我的

10、同學(xué)和朋友表示衷心地感謝。8、參考文獻(xiàn)1.王兆安，黃俊 電力電子技術(shù)（第4版） 機械工程出版社，20072.吳仲陽 自動控制原理 高等教育出版社，20053.黃錦安 電路 機械工程出版社9、附件（實驗三六仿真與分析）實驗3：Three-Phase Rectifer with Resister/Inductive Load（一）基本工作原理電路原理圖如下圖所示： 該電路中，當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時，輸出的直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電，按指數(shù)規(guī)律下降。（二）理論計算公式 輸出電壓平均值：空載時，輸出的電壓平均值最大為=2

11、.45U2。隨著負(fù)載的加重，輸出電壓平均值減小到=1.732進入輸出電流為連續(xù)的情況后，輸出電壓的波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為=2.34U2?？梢娫?.34U2-2.45U2之間變化。當(dāng)負(fù)載越加重的變化范圍越小，在加到一定程度后，就穩(wěn)定在2.34U2。電流平均值：輸出電流平均值為=/R,電容電流平均值為0，所以=/R；二極管的電流平均值為的1/3,即 /3。（3） 仿真后輸出的波形為：三相電壓源的輸出電壓波形從圖中可知：三相電壓源的電壓幅值(327.50Kv)和電壓頻率（f=50Hz）電容器兩端的電壓波形 從圖中可以求出電容器選型的必要依據(jù)：響應(yīng)時間、充電時間、沖擊電壓（960V）以及兩

12、端電壓的紋波系數(shù)。電阻兩端的電壓波形從上圖可知，電阻兩端電壓的響應(yīng)時間約為25ms，最終的穩(wěn)定電壓趨于400V，紋波系數(shù)為0.035。二極管特性實驗4：Hysteresis Current-Controlled DC Motor Start-Upl Controller Modeling Using Block Diagram（一）基本工作原理電路原理圖如下圖所示：（2） 仿真后輸出的波形為：直流電動機轉(zhuǎn)速隨時間變化 從圖中可知，電動機的轉(zhuǎn)速在一定的范圍內(nèi)隨時間的變化成一斜率固定的直線增加；由實驗講義知，DC電動機的無負(fù)載轉(zhuǎn)速接近2613r/m。流過直流電動機的電流 由圖可知，電動機的響應(yīng)時間

13、很短，這說明電動機的動轉(zhuǎn)矩較大易起動；此外電動機上流過的電流變化較大，紋波系數(shù)最大處可達(dá)0.3。這種情況說明，電動機的運行受到了外界因素、電壓以及電容電感的影響。二極管的特性曲線 從圖中可以估算出，二極管的開啟電壓約為770mv左右。l Controller Modeling Using State Graph（一）基本工作原理電路原理圖如下圖所示：（二）仿真后輸出的波形為：直流電動機轉(zhuǎn)速隨時間變化流過直流電動機的電流二極管的特性曲線實驗5：Current and Speed Controlled DC Motor（一）基本工作原理電路原理圖如下圖所示：（2） 仿真后輸出的波形為：Current、Spee