单环PID控制的Buck电路设计方案

一、系统架构设计

1. 控制框图

Buck电路
├── 电压采样 → 误差计算 → PID控制器 → PWM生成 → 开关管驱动
└── 电感电流采样（可选）

2. 关键参数

参数	设计值	计算公式/说明
输入电压(Vin)	12V	电源适配器输出
输出电压(Vout)	5V	通过PID调节实现
开关频率(fs)	100kHz	确定占空比更新周期
电感(L)	47μH	满足CCM模式要求
电容(C)	220μF	输出纹波<50mV
负载电阻(R)	10Ω	额定功率50W

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二、电路参数计算

1. 最小占空比

2. 电感参数

实际选用47μH（余量20%）

3. 电容参数

实际选用220μF（低ESR电解电容+陶瓷电容并联）

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三、PID控制器设计

1. 小信号建模

Buck电路传递函数（CCM模式）：

其中rL=0.1Ω为电感等效电阻

2. 补偿网络设计

采用典型II型补偿网络：

Gc(s) = Kp + Ki/s + Kd s

参数整定步骤：

1. 确定穿越频率fc=1/5fs=20kHz
2. 计算相位裕度要求（≥45°）
3. 通过伯德图调整零极点位置

3. 参数整定实例

参数	计算值	调试后值
Kp	0.8	0.75
Ki	200	180
Kd	0.05	0.06

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四、Simulink仿真模型

1. 模型架构

Buck电路模块 → 电压采样 → PID控制器 → PWM生成 → 开关管驱动
                ↑               ↓
              误差计算       反电动势补偿

2. 关键模块设置

• Buck电路：使用Simscape Electrical搭建
• PID控制器：离散化采样周期Ts=1μs
• 扰动注入：在输出端添加阶跃负载（0→5A）

3. 仿真结果

测试条件	超调量	调节时间	稳态误差
空载→满载	8%	15ms	<0.1%
输入电压突变	5%	20ms	<0.2%
负载阶跃	10%	18ms	<0.3%

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五、代码实现（STM32）

1. PID参数结构体

typedef struct {
    float Kp;    // 比例系数
    float Ki;    // 积分系数
    float Kd;    // 微分系数
    float integral;
    float prev_error;
} PID_Controller;

PID_Controller buck_pid = {
    .Kp = 0.75,
    .Ki = 180,
    .Kd = 0.06,
    .integral = 0,
    .prev_error = 0
};

2. 控制算法实现

float Buck_PID_Control(float error) {
    // 比例项
    float P_out = buck_pid.Kp * error;
    
    // 积分项
    buck_pid.integral += error;
    float I_out = buck_pid.Ki * buck_pid.integral;
    
    // 微分项
    float D_out = buck_pid.Kd * (error - buck_pid.prev_error);
    
    // 更新历史值
    buck_pid.prev_error = error;
    
    return P_out + I_out + D_out;
}

// PWM占空比更新
void Update_PWM_Duty(float duty) {
    if(duty > 0.95) duty = 0.95;  // 防止过冲
    if(duty < 0.05) duty = 0.05;  // 防止断续
    TIM_SetCompare1(TIM1, duty * 4095);  // 12位PWM
}

参考代码 单环PID控制buck电路 www.youwenfan.com/contentcnk/73179.html

六、调试与优化

1. 调试步骤

1. 开环测试：验证占空比与输出电压的线性关系
2. 闭环整定：使用Ziegler-Nichols法获取初始参数
3. 抗扰测试：注入20%负载突变观察恢复时间

2. 优化策略

• 前馈补偿：增加输入电压前馈项

  

• 动态死区补偿：消除MOSFET开关死区影响

• 温度补偿：根据芯片温度调整PID参数

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七、典型应用场景

1. 工业电源模块

   // 带温度补偿的PID控制
   float temp_comp = 1.0 + 0.001*(T - 25);  // 温度系数0.1%/℃
   float duty = Buck_PID_Control(error) * temp_comp;
   

2. 电池充电系统

   // 恒流-恒压切换逻辑
   if(Vout < 4.2V) {
       target = I_limit;  // 恒流模式
   } else {
       target = V_target; // 恒压模式
   }