基于PID控制方式的9A开关电源Multisim.doc

基于PID控制方式的9A开关电源Multisim仿真研究 学院：电光学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 目录1.引言32.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计3 2.1设计指标3 2.2 Buck主电路的参数设计4 2.3用Multisim软件参数扫描法计算53PID补偿网络设计8 3.1主电路直流增益计算8 3.2补偿网络的设计：控制方式为PID.9 3.3变换器传递函数及波特图114. Buck变换器的负载突加突卸仿真12 4.1总电路图的设计如图12 4.2突加突卸80%负载145. 小结15参考文献151.引言开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。2.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计Buck变换器最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。现以Buck变换器为例，根据不同负载电流的要求，设计功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。2.1设计指标输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IIN)：9A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。 图1 Buck变换器的主电路主电路2.2 Buck主电路的参数设计(1)滤波电容参数计算 输出纹波电压只与电容C的大小有关及Rc有关： （1）电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但是C与Rc的乘积趋于常数，约为。本例中取为(2)滤波电感参数计算 当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2）、（3）所示： （2） （3）假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管的导通压降VON=0.5V。又因为 （4）所以由式（2）、（3）、（4）联立可得TON=5.6S，并将此值回代式(2)，可得L=13.69H。实际取14H.2.3用Multisim软件参数扫描法计算当L=14uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图2所示。2当L=8uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图当L=18uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图所示。3PID补偿网络设计3.1主电路直流增益计算 现假设PWM锯齿波幅值Vm为1.5V采样网络传递函数负载电阻值品质因数直流增益双重极点频率：即故： = 根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图5所示，MATLAB的程序如下：num1=3;den1=0.000000038 0.0000250 1;figure(1);mag,phase,w=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)如图所得，该系统相位裕度4.92，穿越频率1.63e+03HZ,所以该传递函数稳定性和快速性均不好，需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度，使其快速性和稳定性增加。3.2补偿网络的设计：控制方式为PID.补偿网络电路图其传递函数为：，其中:,由于穿越频率小于，所以设为开关频率的，倒置零点的频率为穿越频率的，即：设相位裕度为52，则补偿网络的零点频率为：补偿网络的极点频率为：PID网络直流增益为：令，可得：，故：根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图所示，MATLAB的程序如下：num1=conv(0.0000463 1,17.10 53694);den1=0.00000548 1 0;figure(1);mag,phase,w=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)3.3变换器传递函数及波特图补偿后的变换器传递函数G(s)=，所以其波特图是控制器与补偿网络的波特图的叠加。即num1=3;den1=0.000000038 0.00003250 1;g1=tf(num1,den1);num2=conv(0.0000463 1,17.10 53694);den2=0.00000548 1 0; g2=tf(num2,den2);bode(g1,+,g2,:,g1*g2,-) 三个传递函数的Bode图如下：注：图中星形线表示控制对象特性，虚线表示补偿网络特性，实线表示变换器特性加了PID补偿网络后由仿真结果可见，穿越频率fc=10kHZ,相位裕度m=49。比起T(s)穿越频率增加，提高了相位裕度，改善了系统的瞬态响应和稳定性，所以满足了要求。4. Buck变换器的负载突加突卸仿真 4.1总电路图的设计如图4.2突加突卸80%负载计算参数：5. 小结 本文以Buck变换器为研究对象，掌握了PID补偿网络在恒压原单环控制中的应用特点，关注了稳态误差、瞬态响应和高频干扰抑制能力。通过理论的研究和推导设计出了PID控制小信号模型和传递函数，并且具体的设计出了电路的参数，并且对设计的电路进行了仿真。通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PID控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Multisim，Matlab等仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。参考文献1张卫平等.开关变换器的建模与控制M.北京:中国电力出版社,2006.01.2万山明,吴芳.开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计J. 电源技术应用,2004,7(3):142-145.3杨旭等.开关电源技术M.北京:机械工业出版社,2004.03.4占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京：电子工业出版社，1999:176184.5王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2002:258263.6周志敏.周纪海.开关电源实用技术与应用M.北京：人民邮电出版社，2003:1517.7B.Holland. A New Integrated Circuit for Current-Mode Control, Powercon 10 Proceedings, Paper C-2, 2003.5659.8Bums, A.Ohri. Improving Off-Line Converter Performance with Current-Mode Control, Powercon 10 Proceedings,