基于.PID控制方式的8A开关电源Psim

...wd......wd......wd...基于PID控制方式的8A开关电源Psim仿真研究学院：电气与光电学院专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：时间：2016年04月04日1、绪论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，需要引入一个负反响。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以到达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、快地做出适宜的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很缓慢；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。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。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。2、基于PID控制方式的Buck电路的综合设计Buck变换器最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。现以Buck变换器为例，根据不同负载电流的要求，设计功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。2.1设计指标输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IIN)：8A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。图1Buck变换器的主电路2.2Buck主电路的参数设计(1)滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容C的大小有关及Rc有关：〔1〕电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但是C与Rc的乘积趋于常数，约为。本例中取为由式(1)可得Rc=31.25mΩ，C=2400μF。(2)滤波电感参数计算当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式〔2〕、〔3〕所示：〔2〕〔3〕假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管的导通压降VON=0.5V。又因为〔4〕所以由式〔2〕、〔3〕、〔4〕联立可得TON=5.6μS，并将此值回代式(2)，可得L=15.4μH。2.3用Psim软件参数扫描法计算当L=10uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图2所示。图2当L=16uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图3所示。图3当L=20uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图4所示。图4采用Psim的参数扫描功能，有图可得，当L=16uH时，输出电流IIN=4A，输出电压U=5V。输出电压纹波Vrr=50mV，所以选择L=15.4uH，理论分析和计算机仿真结果是一致的。2.4原始系统的设计(1)设计电压采样网络。在设计开关调节系统时，为消除稳态误差，在低频段，尤其在直流频率点，开环传递函数的幅值要远大于1，即在直流频率点系统为深度负反响系统。对于深度负反响系统，参考电压与输出电压之比等于电压采样网络的传递函数，即〔5〕(2)绘制原始系统的Bode图。假设电路工作于电流连续模式(CCM)，忽略电容等效串联电阻〔ESR〕的影响，加在PWM的锯齿波信号峰峰值为Vm=1.5V，Rx=3KHz，Ry=1.3KHz，采用小信号模型分析，给出Buck变换器传递函数为：〔6〕式〔6〕具有双重极点，对应的控制对象是双重极点型控制对象。交流小信号模型中电路参数的计算如下：占空比直流增益，双重极点频率品质因数，其中，，根据上述计算结果可得到开环传递函数为：〔7〕根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图5所示，MATLAB的程序如下：num1=2;den1=[0.0000000370.0000251];figure(1);[mag,phase,w]=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)图5原始回路的Bode图从图5中看出穿越频率为fc=1.43kHz，相位裕度ψm=50，从外表上看，系统是稳定的，但是如果系统中的参数发生变化，系统可能会变得不稳定；直流增益Tu0=2，系统的的稳态误差为1/(1+Tu0)=33%，在工程上这个稳态误差是不能承受的；另外穿越频率太低，系统的响应速度很慢。所以，要设计一个合理的补偿网络是系统能够稳定工作2.5补偿网络的设计原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。改良的思路是在远低于穿越频率fc处，给补偿网络增加一个零点fZ，开环传递函数就会产生足够的超前相移，保证系统有足够的裕量；在大于零点频率的附近增加一个极点fP，并且为了抑制稳态误差大的缺点，可以参加倒置零点fL，为此可以采用如图6所示的PID补偿网络。图6PID补偿网络图6PID补偿网络根据电路写出的PID补偿网络的传递函数为(8)式中：为了提高穿越频率，设参加补偿网络后开环传递函数的穿越频率是开关频率的十分之一，即〔9〕在这里，假设选择的倒置零点的频率为穿越频率的二十分之一，则有〔10〕设相位裕度，则PID补偿网络的参数计算值如下：零点频率极点频率直流增益零点角频率极点角频率倒置零点角频率根据上面计算数据，得出补偿网络的传递函数为〔11〕根据PID补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图7所示，MATLAB的程序如下：num=conv([0.000046831],[24.8378029]);den=[0.0000054910];figure(1);[mag,phase,w]=bode(num,den);margin(mag,phase,w)图7PID补偿网络的Bode图用PID补偿网络作为控制器后，开环传递函数为〔12〕根据上面的传递函数，可以绘制出加PID补偿网络后的传递函数Bode图如图8所示，MATLAB的程序如下：num1=2;den1=[0.0000000370.0000251];g1=tf(num1,den1);num2=conv([0.000046831],[23.8478029]);den2=[0.0000054910];g2=tf(num2,den2);bode(g1,'+',g2,':',g1*g2,'-')图8带有PID补偿网络的Bode图要求穿越频率为10-20kHz，相位裕度为50°-55°。令，，，则有：开关频率为，穿越频率在-之间，在这里取15kHz。取，由得：则：由校正后的开环传递函数在穿越频率处对数幅值降到0dB,0，解得K=11.8695。因为Ω，所以解得：=35.61kΩ，C1=2.081nfC2=0.1753nf2.6参加PID补偿网络后的电路图：变换器仿真结果如以下图：2.7负载的突加突卸突加突卸80%负载：20%=1.6A负载扰动原理图：负载扰动输出电压电流图：2.8电源扰动输入电压为10V，参加20%的电压扰动，即此时输入电压为8V-12V,参加的输入电压波形如以下图：电源扰动原理图输出电压，电流如以下图:3小结通过完成这次论文的时机，使我了解了Buck变换器根本构造及工作原理，掌握了电路器件选择和参数的计算，并且学会使用Psim仿真软件对所设计的开环降压电路进展仿真。与此同时，让我深刻的认识到要真正掌握知识就要学会如何熟练地运用它。平时上课，我们不能只注重课本上的知识的吸收，更要运用于实际，学好本专业，也有利于我们将来的工作。一个月的论文设计，学到了不少东西，思维能力得到了提高，更重要的是有了一种精益求精的追求，获益匪浅。通过已学的知识，如自动控制原理，电力电子技术等，并且结合了开关电源技术所学知识，完成了这次的课程设计。本次电源设计在BUCK电路原理的根基上建设了小信号等效电路模型，并通过对PI控制器的设计，以及使用MATALAB和PSIM对电路进展仿真，根本实现了预定的目标，并通过负载突加突卸对电路的抗干扰性进展了验证。完成了这次研究论文我对BUCK电路有了更为深刻的认识，可以较为熟练的使用PSIM软件对电路进展仿真研究，对MATALAB也有了一定的了解，可以通过它来准确绘制传递函数的伯德图。我深刻的认识到要真正掌握知