PID控制方式的3A开关电源

基于PID控制方式的3A开关电源MATLAB仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：一绪论Buck变换器是最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，现以Buck变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。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。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。本次设计就采用PID控制方式。二设计过程各项技术指标：输入直流电压（Vin）：10；输出电压（匕）：5V；输出电流（In）：3A；输出电压纹波（V?：50mV；基准电压（vef）：；开关频率（f）：100kHz。设计任务：依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真;掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；采用Matlab绘制控制对象的Bode图；补偿网络设计，根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性，采用PID调节方式。采用Matlab绘制补偿器和变换器的Bode图；综合仿真，采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。主电路设计:滤波电感和电容参数设计:输出纹波电压只与电容C的大小及Rc有关:电容C与Rc的乘积趋于常数，约为50~80日Q*F。本次课程设计中取为75口Q*F。由式(1)可得Rc二Q,C二。负载电阻R=匕=5。=1.67。。LI3假设二极管D的通态压降vd=,电感L中的电阻压降vl=,开关管S的导通压降von=0根据基尔霍夫电压方程，可知开关管S闭合与导通状态输入电压VIN和输出电压vo满足如下关系：MVIN-VO-VL-VON=LTL1ON(2)Vo+Vl+Vd=1OFF(3)T+T=— (4)ONOFFf可得导通时间toN=vs,电感串联电阻RL=Q,电感值L二口H。假设：Vd=0.5VV^=0.1VVON=0.5V其中L中串联电阻Rl=匕=0.017。N可得：T=5.6psL=41.049pH由matlab仿真，得图2,可知当取L=41.049pH时，电感电流在之间脉动，符合&[<0.21^的要求电感电流纹波:iL电流补偿网络设计采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数:(1)G0(s)=V•H(s)•Vn(1：SCR，

m 1+s一+s2LC(1)R假设PWM锯齿波幅值Vm为，采样电阻R1=3KQ,Rb=KQ,则RbR1RbR1+Rb=0.3(2)所以:G0(G0(s)=1.5e一4s+23.7e—8s2+2.5e—5s+1(3)用matlab画出的G0(s)的伯德图:MATLAB的程序为:num=[150e-62]den=[1];g二tf(num,den);margin(g);>>伯德图为：Bad&DiagramGm=Inf9Pm=41.6deg(at9.67g*Q3rad/时40 ■ ' ■—■ i ■—- ' ■—1此时穿越频率为，相位裕度为°。PID补偿网络设计:要求穿越频率为10-20kHz，相位裕度为50°-55假设：期望的相位裕度y=60。；穿越频率fc=15kHzK=-^3-R1+R2(1+府)(1+^3)Gc(S)=K—於2 S"+岛］"J为了提高系统穿越频率，则需要在其幅值下降前抬高它的下降速度为-20db/s,(1)(2)才能提高其穿越频率。因此令：补偿网络零点频率f=f:上亚=3.15e3HzzJcl；1+siny补偿网络极点频率f=f:三虹=31.7e3Hzp cp1一siny则:零点角频率w=2兀f=19.79e4rad/s极点角频率w=2兀f=3.14e4rad/s倒置零点角频率®l=2兀fl=3.14kHZ八/、7.2e4+26.61s+1.15e-3s2(3)Gc(s)= (3)s+5.03e-6s2

用matlab画出伯德图:程序为：num=[];den=[10];g二tf(num,den);margin(g);>>>BodeDiagramGm=Inf,Pm=Inf6。 >>BodeDiagramGm=Inf,Pm=Inf6。 !s!!~'''H| !18~~1~!!!!| !1!!~~!~!!!| !加入加入PID补偿网络后的电路图:直流增益直流增益G(s)=G0(s)•G(s)=G(s)=G0(s)•G(s)=(1)s+3e-5s2+3.7e-8s3+1.86e-13s4用matlab画出伯德图:程序为：num=[];den=[3e-510];g二tf(num,den);margin(g);

BodaDiagramGm=InfdB(atInfrad/s),Pm=52.5deg(at6.29e+04radfs)Frequency(rad/s)负载的突加突卸突加突卸80%负载:20%INR=5V=8.33。20.2x3A8.33//R=1.67QR=2.084。电路图如图所示,~P1DfD|~ZEIdmISwitch仿真波形图如图所示:0.-DQ7 0.006O.tW0.'0 0.-DQ1 0.002 Q,0Q3 0.004 0.-DQ5 。，网0.-DQ7 0.006O.tW0.'IL电流

输出电压电流电源扰动输入电压为10V，加入20%的电压扰动，即此时输入电压为加入的输入电压波形如图所示:电路图为:GontinucusB输出的电压电流波形图iL电流3心得体会通过本次开关电源作业设计，使我对开关电源有了更深刻的理解和认识。我对BUCK电路的有了进一步的学习，在设计的过程中，又再次复习了电力电子和自动控制原理，加深了以前的学习。同时，学会了MATLAB及相关软件的使用，这对以后的学习将会有很大的帮助。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。4参考文献1张建生主编《现