基于PID控制方式的5A开关电源PSIM仿真研究

基于PID控制方式的5A开关电源PSIM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：1引言电源是组成各种电子设备的最基本部分，每个电子设备均会要求有一个稳定可靠的直流电源来供给设备的各种信号处理电路的直流偏置，以期达到各信号处理电路能稳定可靠的工作。目前，开关电源变换器以它的高效率、小体积、重量轻等特点，已用来作为电脑、家电、通信设备等现代化用电设备的电源，为世界电子工业产品的小型化、轻型化、集成化作出了很大的贡献。在开关电源中，变换器占据着重要地位，其中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，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。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。本文主要介绍基于PID控制的Buck电路设计，使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，最终提高系统的稳定性。2基于PID控制的Buck电路主电路设计及参数计算2.1Buck主电路设计主电路如图1所示图1Buck变换器主电路2.2设计要求技术指标：输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：5A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz.设计主电路以及校正网络，使满足以上要求。2.3Buck主电路各参数计算（1）滤波电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关：通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可得：可得： （2）滤波电感参数计算根据基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压满足下列方程:(式1）且有假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻值为：将数据代入式1，可知：上式/下式可知：且已知解得：导通时间电感取占空比2.3采用参数扫描法，对所设计的主电路进行psim仿真当，电感电流和输出电压的波形分别如下:图2电感波形图3输出电压波形当，电感电流和输出电压的波形分别如下:图3电感波形图4输出电压波形当，电感电流和输出电压的波形分别如下:图3电感波形图6输出电压波形经过PSIM仿真可得图4电感电流波形及图5输出电压波形，可知当,电感电流、输出电压足以及输出电压纹波为50mV的要求。3补偿网络设计3.1原始回路增益函数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：假设PWM锯齿波幅值,采样电阻，，由此可得采样网络传递函数为：原始回路直流增益：对数增益：代入原始回路增益函数可得：（式a)极点频率：零点转折频率：使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图程序如下：num=conv(2,[7.56e-51]);den=[3.69e-82.5e-51];g=tf(num,den);margin(g)图7原始回路增益函数伯德图由图4所示伯德图易看出：相位裕度：41.8°穿越频率：根据要求相位裕度应达到50°--55°，且有开环传递函数的穿越频率应为开关频率的1/5--1/10之间,即为10-20kHz。可见，原始回路增益函数既不满足相位裕度的要求，也不满足穿越频率的要求，所以必须提高其相位裕度、穿越频率。3.2PID补偿网络设计PID补偿网络的传递函数：（式2.2）加入补偿网络后，开环传递函数的穿越频率有：------20kHz)取相位裕度55°，穿越频率补偿网络零点频率:补偿网络极点频率:补偿网络直流增益：零点角频率：极点角频率：倒置零点角频率：将上述所计算的参数值代入式2.2，可得补偿网络传递函数为：解得：(式b)使用MATLAB绘制补偿网络传递函数伯德图程序如下：num=[1.15e-326.6172000];den=[5.03e-610];g=tf(num,den);margin(g);图8PID补偿网络传递函数伯德图补偿后的Buck变换器整个系统传递函数为：使用PSIM绘制补偿网络传递函数伯德图程序如下：num=conv([2.324e-346],[13.14e+3]);den=conv([3.69e-82.5e-51],[5.03e-610]);g=tf(num,den);margin(g);图9整个系统经补偿后的伯德图由图6所示系统伯德图易知：相位裕度：52.8°穿越频率：10.1kHz因此经过校正，系统满足了要求指标。PID补偿后总的系统伯德图如下：num=[2];den=[3.69e-82.5e-51];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[1.15e-326.6172000];den=[5.03e-610];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[2];den=[3.69e-82.5e-51];f=tf(num,den);num1=[1.15e-326.6172000];den1=[5.03e-610];g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)；图10PID补偿后总的系统伯德图4负载满载运行及突加突卸4.1负载满载运行时的电路图及其波形仿真4.1.1负载满载运行时的电路图图11负载满载运行电路图4.1.2负载满载运行时的仿真图图12负载满载运行电流、电压波形图图13负载满载运行电流、电压波形局部图4.2负载突加突卸80%时的电路图及其波形仿真4.2.1负载突加突卸80%运行时的电路图突加突卸80%负载：20%=1A图14负载突加突卸80%运行时的电路图4.2.2负载突加突卸80%运行时的仿真图图12负载突加突卸80%运行时电流、电压波形图图15负载突加突卸80%运行时电流、电压局部波形图5电源扰动20%时电路图及仿真图5.1负载满载运行时的电路图及其波形仿真5.1.1电源扰动20%运行时的电路图图16电源扰动20%运行时的电路图5.1.2电源扰动20%运行时的仿真图图17电源扰动20%运行时的电流、电压波形图图18电源扰动20%运行时的电流、电压局部波形图6作业小结我想谈谈本次作业的感受与收获：还记得第一次老师跟我们提及这份作业时，大家都一脸茫然，可以说是觉得是一座高峰，根本无法跨越。一是觉得自己相关学科很薄弱，没有形成一套较为完整的知识体系，如电力电子技术、自动控制原理等知识根本没有掌握的很好；二是，老师要求我们每个人使用一种控制方法，使用不同软件达到不同的功能，最让人担心的是那些软件在这份作业之前从未接触过，如Psim、Matlab、Multisim等等。刚开始的我也是完全没有思路，Buck变换器是怎样的工作原理，怎样测电压、测电流，怎样使用Matlab进行编程，怎样用Simulink进行仿真。依稀记得第一次使用Simulink时，连基本的元器件的位置，画法都不知道，什么示波器、脉冲触发器等等完全搞不清楚。好在一直没有放弃，从一开始什么都不懂的状态到慢慢构建出主电路图，测出主电路负载的电压、电流波形，渐渐地遇到了很多困难，比如说电流值偏大、电压偏小、响应时间很慢，后来通过一次次的调节参数，最终尽自己的能力解决了那些问题。此次作业，我的最大体会就是，专业知识的积累是很重要的，在平时的学习过程中应该学会总结，学会积累，学会把学科之间联系起来，形成一套较为完整的学科体系。同时，在实践过程中，我们会遇到很多问题，在问题前不应该退缩，停滞不前，而应该通过自己一次次的尝试去解决问题，遇到不懂的问题要虚心请教。最后，我想说的是，这次作业让我收获了很多，希望在以后的学习中能够更加努力。参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002:258～263.[2]许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报.2008[3]陈丽兰.自动控制原理教程（第二版）：电子工业出版社2010.8[4]张占松，张心益.开关电源技术教程：机械工业出版社2012基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制一