PID控制方式的3A开关电源MATLAB.doc

基于PID控制方式的3A开关电源MATLAB仿真研究 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(VO)：5V；输出电流(IN)：3A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。设计任务：1. 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；2. 掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；3. 采用Matlab绘制控制对象的Bode图；4. 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。5. 采用Matlab绘制补偿器和变换器的Bode图；6. 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。2.1 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： (1)电容C与Rc的乘积趋于常数,约为5080*F。本次课程设计中取为75*F。由式(1)可得Rc=83.3m,C=900.36uF。负载电阻。假设二极管 D 的通态压降 =0.5V, 电感 L中的电阻压降 =0.1V, 开关管S的导通压降=0.5V。 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 和输出电压满足如下关系: (2) (3) (4)可得导通时间 =5.6s，电感串联电阻=01.67，电感值L=41.049H。假设： 其中L中串联电阻可得：由matlab仿真，得图2，可知当取时，电感电流在2.8A-3.2A之间脉动，符合的要求电感电流纹波： iL电流2.2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）假设PWM锯齿波幅值Vm为1.5V，采样电阻R1=3K，Rb=1.3 K，则 （2）所以： （3）用matlab画出的G0（s）的伯德图：MATLAB的程序为：num=150e-62den=3.7e-82.5e-51;g=tf(num,den);margin(g); 伯德图为：此时穿越频率为9.67kHz，相位裕度为41.6。PID补偿网络设计：要求穿越频率为10-20kHz，相位裕度为50-55。 K= （1） (2)假设：期望的相位裕度；穿越频率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，才能提高其穿越频率。因此令：补偿网络零点频率 补偿网络极点频率则:零点角频率极点角频率倒置零点角频率 (3)用matlab画出伯德图：程序为： num=1.15e-3 26.61 7.2e4;den=5.03e-6 1 0;g=tf(num,den);margin(g); 加入PID补偿网络后的电路图： 直流增益 (1)用matlab画出伯德图：程序为：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 负载的突加突卸突加突卸80%负载：20%=0.6A电路图如图所示,仿真波形图如图所示： IL电流 输出电压电流2.4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9.6V-14.4V,加入的输入电压波形如图所示：电路图为： 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 张建生主编现代仪器电源原理技术设计北京：科学出版社，2005332 陈丽兰主编 自动控制原理 电子工业出版社 20063 杨旭等.开关电源