PID控制方式的3A開關(guān)電源MATLAB

...wd......wd......wd...基于PID控制方式的3A開關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)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(shè)計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路。開關(guān)調(diào)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，需要引入一個負反響。粗略的講，只要使用一個高增益的反相放大器，就可以到達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(zhǔn)、快地做出適宜的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復(fù)雜了。所以，開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計要同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、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(shè)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(diào)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(diào)試要復(fù)雜一些。本次設(shè)計就采用PID控制方式。二設(shè)計過程各項技術(shù)指標(biāo)：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(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。設(shè)計任務(wù)：依據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計主功率電路，采用參數(shù)掃描法，對所設(shè)計的主功率電路進展仿真；掌握小信號建模的方法，建設(shè)Buck變換器原始回路增益函數(shù)；采用Matlab繪制控制對象的Bode圖；補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，根據(jù)控制對象的Bode圖，分析所需設(shè)計的補償網(wǎng)絡(luò)特性，采用PID調(diào)節(jié)方式。采用Matlab繪制補償器和變換器的Bode圖；綜合仿真，采用所選擇的仿真軟件進展系統(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(yīng)速度。2.1主電路設(shè)計：濾波電感和電容參數(shù)設(shè)計：輸出紋波電壓只與電容C的大小及Rc有關(guān)： (1)電容C與Rc的乘積趨于常數(shù),約為50~80μΩ*F。本次課程設(shè)計中取為75μΩ*F。由式(1)可得Rc=83.3mΩ,C=900.36uF。負載電阻。假設(shè)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(guān)管S的導(dǎo)通壓降=0.5V。

根據(jù)基爾霍夫電壓方程,可知開關(guān)管S閉合與導(dǎo)通狀態(tài)輸入電壓和輸出電壓滿足如下關(guān)系:

(2)

(3)(4)可得導(dǎo)通時間=5.6μs，電感串聯(lián)電阻=01.67Ω，電感值L=41.049μH。假設(shè)：其中L中串聯(lián)電阻可得： 由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)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(luò)設(shè)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(shè)PWM鋸齒波幅值Vm為1.5V，采樣電阻R1=3KΩ，Rb=1.3KΩ，則〔2〕所以：〔3〕用matlab畫出的G0〔s〕的伯德圖：MATLAB的程序為：num=[150e-6

2]den=[3.7e-8

2.5e-5

1];

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(luò)設(shè)計：要求穿越頻率為10-20kHz，相位裕度為50°-55°。K=〔1〕(2)假設(shè)：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(luò)零點頻率補償網(wǎng)絡(luò)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-326.617.2e4];den=[5.03e-610];g=tf(num,den);margin(g);>

>>

參加PID補償網(wǎng)絡(luò)后的電路圖：直流增益(1)用matlab畫出伯德圖：程序為：num=[2.3e-353.221.44e5];den=[1.86e-133.7e-83e-510];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電路圖如以下圖,仿真波形圖如以下圖：IL電流輸出電壓電流2.4電源擾動輸入電壓為10V，參加20%的電壓擾動，即此時輸入電壓為9.6V-14.4V,參加的輸入電壓波形如以下圖：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(guān)電源作業(yè)設(shè)計，使我對開關(guān)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(xué)習(xí)，在設(shè)計的過程中，又再次復(fù)習(xí)了電力電子和自動控制原理，加深了以前的學(xué)習(xí)。同時，學(xué)會了MATLAB及相關(guān)軟件的使用，這對以后的學(xué)習(xí)將會有很大的幫助。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我今天認真的進展課程設(shè)計，學(xué)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根基。4參考文獻1張建生主編《現(xiàn)代儀器電源原理技術(shù)設(shè)計》北京：科學(xué)出版社，2005332陳麗蘭主