數字控制Buck變換器的Simulink仿真

安徽理工大學 張林青 張玉全

本文針對buck變換器進行了建模，并對此buck電路采用了離散控制器，利用Matlab/Simulink進行了建模及仿真，仿真結果證明了buck變換器模型和離散控制器設計的正確性。

1 引言

傳統電力電子變換器常用模擬控制方法，但由于數字控制有很多優點，電力電子變換器越來越多地采用數字控制，所以有必要對數字控制進行研究。

本文首先對buck變換器主電路進行了建模，然后設計出控制電路z域控制器，并在Simulink中進行了電路仿真。

2 電路的模型

2.1 buck主電路的模型

主電路參數取為：Vin=5V，期望輸出電壓Vout=1.6V，最小負載電RL=0.1ohm，PWM頻率fpwm=250kHz，電壓采樣頻fs=250kHz。輸出濾波器參數：L=1.0uH，C=1620uF，Rc=0.004Ohm。buck電路結構如圖1所示。

由電路原理可推導出buck主電路系統公式：

其中iL為電感電流。Vg為占空比，Vout為輸出電壓，Vc為電容電壓，iout為輸出電流。

以上式子在simulink中的仿真模型如圖2所示，（此模型作為子系統被封裝到圖3中的“buck converter1”模塊中）：

2.2 離散控制器模型

離散控制器可將傳統模擬控制器離散化得到，所以首先設計出模擬控制器。

圖1 buck變換器的結構

圖2 buck變換器主電路的simulink模型

圖3 buck變換器的數字控制模型

圖4 輸出電壓波形

1）利用傳統模擬控制器設計方法設計得到此Buck電路的控制器s域表達式如下（Shamim Choudhury.Designing a TMS320F280x Based Digitally Controlled DC-DC Switching Power Supply.TEXAS INSTRUMENTS,2005）：

2）利用MATLAB的“c2d”函數將上式的模擬控制器離散化得到數字控制器，所得數字控制器的z域表達式如下：

3 仿真模型

模型如圖所示其中包含了buck主電路、離散控制器模塊、數字PWM，A/D變換器。并加入了動態負載“step load”模塊，以觀測電路的動態性能（Introduction to MATLAB/Simulink for witched-mode power converters.Colorado Power Electronics Center University of Colorado）。buck變換器的數字控制模型如圖3所示。

4 仿真結果及結論

圖4所示為仿真結果，從輸出電壓Vo的波形可以看出：電壓穩定在1.6v左右，剛好與期望輸出電壓相同，且在仿真的第1秒時刻，從電路中切掉動態負載，2秒時刻重新加入此負載，此時電路仍能保證良好的控制作用。

仿真結果證明了buck主電路模型、離散控制器模型設計的正確性，我們可以根據此電路及控制器參數進行實際電路設計，例如：可采用DSP作為控制器實現此電路的控制。