基于PID控制方式的8A開關(guān)電源Psim

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1、..基于PID控制方式的8A開關(guān)電源Psim仿真研究學(xué)院：電氣與光電學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名：學(xué)號：時(shí)間：2016年04月04日word教育資料..1、緒論開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象，包括單極點(diǎn)型控制對象、雙重點(diǎn)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(fù)反饋。粗略的講，只要使用一個高增益的反相放大器，就可以達(dá)到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實(shí)際系統(tǒng)而言，對于負(fù)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)、快地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復(fù)雜了。例如，已知主電路的時(shí)間常數(shù)較大、響應(yīng)

2、速度相對緩慢，如果控制的響應(yīng)速度也緩慢，使得整個系統(tǒng)對外界變量的響應(yīng)變得很遲緩；相反如果加快控制器的響應(yīng)速度，則又會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以，開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要同時(shí)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(jì)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(shí)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(jià)提

3、高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID控制器兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。本文中介紹基于PID控制器的Buck電路設(shè)計(jì)。2、基于PID控制方式的Buck電路的綜合設(shè)計(jì)Buck變換器最常用的電力變換器，工程上常用的正激、半橋、全橋及推挽等均屬于Buck族?，F(xiàn)以Buck變換器為例，根據(jù)不同負(fù)載電流的要求，設(shè)計(jì)功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入直流電壓(VIN)：10V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IIN)：8A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)

4、：100kHz。Buck變換器主電路如圖1所示，其中Rc為電容的等效電阻ESR。word教育資料..圖1Buck變換器的主電路2.2Buck主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)(1)濾波電容參數(shù)計(jì)算輸出紋波電壓只與電容C的大小有關(guān)及Rc有關(guān)：（1）電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，而且ESR隨著電容的容量和耐壓變化很大，但是C與Rc的乘積趨于常數(shù)，約為。本例中取為由式(1)可得Rc=31.25mΩ，C=2400μF。(2)濾波電感參數(shù)計(jì)算當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通與截止時(shí)變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式（2）、（3）所示：（2）（3）假設(shè)二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL

5、=0.1V，開關(guān)管的導(dǎo)通壓降VON=0.5V。又因?yàn)椋?）所以由式（2）、（3）、（4）聯(lián)立可得TON=5.6μS，并將此值回代式(2)，可得L=15.4μH。2.3用Psim軟件參數(shù)掃描法計(jì)算當(dāng)L=10uH時(shí)，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖2所示。word教育資料..圖2當(dāng)L=16uH時(shí)，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖3所示。word教育資料..圖3當(dāng)L=20uH時(shí)，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖4所示。圖4采用Psim的參數(shù)掃描功能，有圖可得，當(dāng)L=16uH時(shí)，輸出電流IIN=4A，輸出電壓U=5V。輸出電壓紋波Vrr=50mV，所以選擇

6、L=15.4uH，理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。word教育資料..2.4原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)電壓采樣網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，為消除穩(wěn)態(tài)誤差，在低頻段，尤其在直流頻率點(diǎn)，開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值要遠(yuǎn)大于1，即在直流頻率點(diǎn)系統(tǒng)為深度負(fù)反饋系統(tǒng)。對于深度負(fù)反饋系統(tǒng)，參考電壓與輸出電壓之比等于電壓采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，即（5）(2)繪制原始系統(tǒng)的Bode圖。假設(shè)電路工作于電流連續(xù)模式(CCM)，忽略電容等效串聯(lián)電阻（ESR）的影響，加在PWM的鋸齒波信號峰峰值為Vm=1.5V，Rx=3KHz，Ry=1.3KHz，采用小信號模型分析，給出Buck變換器傳遞函

7、數(shù)為：（6）式（6）具有雙重極點(diǎn)，對應(yīng)的控制對象是雙重極點(diǎn)型控制對象。交流小信號模型中電路參數(shù)的計(jì)算如下：占空比直流增益，雙重極點(diǎn)頻率品質(zhì)因數(shù)，其中，，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可得到開環(huán)傳遞函數(shù)為：（7）根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖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)word教育資料..圖5原始回路的Bode圖從圖5中看出穿越頻率為fc=1.43kHz，相位裕度ψm=

8、50，從表面上看，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是如果系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)可能會變得不穩(wěn)