摘要
本文介绍了基于Simulink的Buck变换器闭环控制系统的设计与仿真。通过对Buck变换器的数学模型进行建模，并引入PI控制器对输出电压进行实时调节，实现了系统的稳态控制。仿真结果显示，该闭环控制系统能够快速响应负载变化，保持输出电压的稳定。
理论
Buck变换器是一种直流-直流电压降压转换器，通过周期性开关控制电感和电容的充放电过程，将输入高压转换为输出低压。其基本工作原理基于电能的储存与释放，电感在开关导通期间储存能量，在开关关闭时释放能量，从而将电压降至所需的水平。
1. Buck变换器工作原理：
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当开关导通时，输入电压通过电感传递到负载，电感储能，输出电压上升。
-
当开关关闭时，电感中的储能释放，继续为负载提供电流，同时输出电压降低。
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通过脉冲宽度调制（PWM）来控制开关的导通时间，可以调节输出电压的大小。
2. 闭环控制：
闭环控制通过实时监测输出电压，将其与设定值进行比较，并通过控制器调整PWM信号，从而保持输出电压的稳定。常用的控制器为比例积分（PI）控制器，它通过对误差的累积进行调节，保证系统达到稳态。
-
PI控制器的传递函数：
其中， 𝐾𝑝为比例增益， 𝐾𝑖为积分增益。
实验结果
通过仿真，验证了该闭环控制系统在不同输入电压和负载变化条件下的响应特性。图中红框部分为PI控制器模块，系统通过实时调整PWM信号控制Buck变换器的输出。仿真结果表明，当输入电压从12V变化至24V时，输出电压依然能够维持在5V左右，具有较好的动态响应和抗扰能力。
此外，在负载发生变化时（负载电阻减小），系统的输出电压波动较小，证明了该闭环控制的稳健性。
部分代码
% Buck Converter Simulink 模型部分代码
Vin = 24; % 输入电压
Vout_ref = 5; % 输出参考电压
L = 1e-3; % 电感
C = 100e-6; % 电容
R_load = 10; % 负载电阻
fs = 100e3; % 开关频率
Ts = 1/fs; % 采样时间
% PI控制器参数
Kp = 0.5; % 比例增益
Ki = 100; % 积分增益
% 创建PWM信号
t = 0:Ts:0.01; % 仿真时间
duty_cycle = zeros(size(t)); % 占空比初始化
% 仿真主循环
for i = 1:length(t)
% 电感电流和输出电压的仿真
% 这里调用Simulink模型进行仿真
% PI控制器调整占空比
error = Vout_ref - Vout; % 计算误差
integral = integral + error * Ts; % 误差积分
duty_cycle(i) = Kp * error + Ki * integral; % 计算新的占空比
% 限制占空比范围
duty_cycle(i) = min(max(duty_cycle(i), 0), 1);
% 调整PWM占空比
% 这里将duty_cycle值反馈给Simulink中的PWM生成器
end
% 绘制输出电压曲线
figure;
plot(t, Vout);
xlabel('Time (s)');
ylabel('Output Voltage (V)');
title('Buck Converter Output Voltage');
grid on;
参考文献
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Erickson, R. W., & Maksimovic, D. (2007). Fundamentals of Power Electronics. Springer Science & Business Media.
Mohan, N., Undeland, T. M., & Robbins, W. P. (2003). Power Electronics: Converters, Applications, and Design. John Wiley & Sons.
Krein, P. T. (1998). Elements of Power Electronics. Oxford University Press.
Sun, J., & Lee, Y. S. (1996). Dynamics and Control of a PWM Buck Converter. IEEE Transactions on Power Electronics, 11(1), 24-32.
（文章内容仅供参考，具体效果以图片为准）
