PID控制方式的3A开关电源MATLAB

1、基于PID控制方式的3A开关电源MATLAB学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：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变换仿真研究器为例，依据不同负载3-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、

2、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

3、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；基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究4-基于 PID 控制万式的 3A 开关电源 MATLAB?真研究开关频率（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

4、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:5-输出纹波电压只与电容C的大小及Rc有关:VrrVrrc_ _iL0.2|N电容C与Rc的乘积趋于常数，约为5080 ubF。本次课程设计中取为75pbF。由式可得Rc=83.3mQ,C=900.36uF。负载电阻RLVO-1.67。IN3假设二极管D的通态压降VD=0.5V,电感

5、L中的电阻压降VL=0.1V,开关管S的导通压降VON=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VO满足如下关系：iLVOVLVONL TON可得导通时间TON=5.6卩s，电感串联电阻RL=01.67Q,电感值L=41.049 p, H假设：VD0.5V VL0.1V VON0.5V其中L中串联电阻RLV0.017IN可得：TON5.6sL 41.049 H2.8A-3.2A之间脉动，符合iL0.2IN的要求VlNVlNVOVLVDL TOFFTONTOFF1fs由matlab仿真，得图2，可知当取L 41.049 H时，电感电流在基于 PID 控制方式

6、的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究6-电感电流纹波:基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究(2)(3)7-2.2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:1VIN(1sCRc)G0(s)?H(s)?Vm1.5V，采样电阻R1=3KQ,Rb=1.3 KQ,则H(s)凡0.31百SLC(1)假设PWM锯齿波幅值Vm为iL电流基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究(2)(3)8-所以:1.5e 4s 223.7e 8s 2.5e 5s 1G(s)基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究9-用mat

7、lab画出的GO(s)的伯德图:MATLAB的程序为：num=150e-6 2den=3.7e-8 2.5e-5 1;g=tf(num,den);margin(g);伯德图为:10210 104105106Frequency (rad/s)此时穿越频率为9.67kHz，相位裕度为41.6。PID补偿网络设计：Bode DiagramGm = Inf, Pm = 41.6 deg (at 9.57e*03 rad/smp)基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究10-要求穿越频率为10-20kHz，相位裕度为50-55基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿

8、真研究11-(1 )假设：期望的相位裕度60;穿越频率fc15kHz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fzfJSin3.15e3HzV1 sin补偿网络极点频率fpf血31.7e3HzV 1 sin则：零点角频率Wz2 fz19.79e4rad /s极点角频率Wp2 fp3.14e4rad /s倒置零点角频率L2 fl 3.14kHZGc(s)7知2661s竽3s2s 5.03e 6s(3)K=R3R1 R2Gc(S)(1K S)(1Z2Z3ST)SZ1基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿

9、真研究12-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);60Bode Diagram Gm = Inf , Pm = InfQooo3 3 4 4 3 3 2 2mp) wpnlEoes-9010610J5 5 4 4【曙)廉旳101t4105Frequency (radfs)加入PID补偿网络后的电路图：直流增益214.4e4 52.22s 2.3e 3sG(s)G0(s)?Gc(s)234s 3e 5s 3.7e 8s 1.86e 13s(1)基于 PID 控制方式的 3A

10、 开关电源 MATLA 仿真研究13-基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究14-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%IN=0.6A5VR28.330.2 3A8.33/R,1.67Rn2.084Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s), Pm = 5X5 deg (at 6.29e+04 rad/s)100o o5 55 5p)opnl

11、cbe乏0000Frequency (rad/s)基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究-15电路图如图所示仿真波形图如图所示:inC曲丄EC.W1仇WE 0.0Q3QQQ5 (XOWQOQ了幺60.OT9 QA基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究-iiIL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：基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究-ii电路图为:基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究-18aQ网弋r

12、rgrp 鬥lAJH基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究-19输出的电压电流波形图基于 PID 控制方式的 3A 开关电源 MATLA 仿真研究-20iL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。4参考文献基于 PID 控制方式的 3A 开关电源