PID控制方式的3A開關電源MATLAB.doc

. 基于PID控制方式的3A開關電源MATLAB仿真研究學院：電氣與光電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級：一 緒論Buck變換器是最常用的變換器，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負載電流的要求，設計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設計控制環(huán)路。開關調節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象，包括單極點型控制對象、雙重點型控制對象等。為了使某個控制對象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個負反饋。粗略的講，只要使用一個高增益的反相放大器，就可以達到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實際系統(tǒng)而言，對于負載的突變、輸入電壓的突升或突降、高頻干擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠穩(wěn)、準、快地做出合適的調節(jié)，這樣就使問題變得復雜了。所以，開關調節(jié)系統(tǒng)設計要同時解決穩(wěn)、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設計出合理的控制器，用控制器來改造控制對象的特性。常用的控制器有比例積分（PI）、比例微分（PD）、比例-積分-微分（PID）等三種類型。PD控制器可以提供超前的相位，對于提高系統(tǒng)的相位裕量、減少調節(jié)時間等十分有利，但不利于改善系統(tǒng)的控制精度；PI控制器能夠保證系統(tǒng)的控制精度，但會引起相位滯后，是以犧牲系統(tǒng)的快速性為代價提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID控制器兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但實現(xiàn)與調試要復雜一些。本次設計就采用PID控制方式。二 設計過程各項技術指標：輸入直流電壓(VIN)：10；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：3A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz。設計任務：1. 依據(jù)技術指標設計主功率電路，采用參數(shù)掃描法，對所設計的主功率電路進行仿真；2. 掌握小信號建模的方法，建立Buck變換器原始回路增益函數(shù)；3. 采用Matlab繪制控制對象的Bode圖；4. 補償網(wǎng)絡設計，根據(jù)控制對象的Bode圖，分析所需設計的補償網(wǎng)絡特性，采用PID調節(jié)方式。5. 采用Matlab繪制補償器和變換器的Bode圖；6. 綜合仿真，采用所選擇的仿真軟件進行系統(tǒng)仿真，要求有突加、突卸80%負載和滿載時的負載特性，分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動態(tài)響應速度。2.1 主電路設計：濾波電感和電容參數(shù)設計：輸出紋波電壓只與電容C的大小及Rc有關： (1)電容C與Rc的乘積趨于常數(shù),約為5080*F。本次課程設計中取為75*F。由式(1)可得Rc=83.3m,C=900.36uF。負載電阻。假設二極管 D 的通態(tài)壓降 =0.5V, 電感 L中的電阻壓降 =0.1V, 開關管S的導通壓降=0.5V。 根據(jù)基爾霍夫電壓方程, 可知開關管 S 閉合與導通狀態(tài)輸入電壓 和輸出電壓滿足如下關系: (2) (3) (4)可得導通時間 =5.6s，電感串聯(lián)電阻=01.67，電感值L=41.049H。假設： 其中L中串聯(lián)電阻可得：由matlab仿真，得圖2，可知當取時，電感電流在2.8A-3.2A之間脈動，符合的要求電感電流紋波： iL電流2.2補償網(wǎng)絡設計采用小信號模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)： （1）假設PWM鋸齒波幅值Vm為1.5V，采樣電阻R1=3K，Rb=1.3 K，則 （2）所以： （3）用matlab畫出的G0（s）的伯德圖：MATLAB的程序為：num=150e-62den=3.7e-82.5e-51;g=tf(num,den);margin(g); 伯德圖為：此時穿越頻率為9.67kHz，相位裕度為41.6。PID補償網(wǎng)絡設計：要求穿越頻率為10-20kHz，相位裕度為50-55。 K= （1） (2)假設：期望的相位裕度；穿越頻率為了提高系統(tǒng)穿越頻率，則需要在其幅值下降前抬高它的下降速度為-20db/s，才能提高其穿越頻率。因此令：補償網(wǎng)絡零點頻率 補償網(wǎng)絡極點頻率則:零點角頻率極點角頻率倒置零點角頻率 (3)用matlab畫出伯德圖：程序為： num=1.15e-3 26.61 7.2e4;den=5.03e-6 1 0;g=tf(num,den);margin(g); 加入PID補償網(wǎng)絡后的電路圖： 直流增益 (1)用matlab畫出伯德圖：程序為：num=2.3e-3 53.22 1.44e5;den=1.86e-13 3.7e-8 3e-5 1 0;g=tf(num,den);margin(g);2.3 負載的突加突卸突加突卸80%負載：20%=0.6A電路圖如圖所示,仿真波形圖如圖所示： IL電流 輸出電壓電流2.4電源擾動輸入電壓為10V，加入20%的電壓擾動，即此時輸入電壓為9.6V-14.4V,加入的輸入電壓波形如圖所示：電路圖為： 輸出的電壓電流波形圖 iL電流3 心得體會通過本次開關電源作業(yè)設計，使我對開關電源有了更深刻的理解和認識。我對BUCK電路的有了進一步的學習，在設計的過程中，又再次復習了電力電子和自動控制原理，加深了以前的學習。同時，學會了MATLAB及相關軟件的使用，這對以后的學習將會有很大的幫助。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。4 參考文獻1 張建生主編現(xiàn)代儀器電源原理技術設計北京：科學出版社，2005332 陳麗蘭主編 自動控制原理 電子工業(yè)出版社 20063 楊旭等.開關