PID控制方式的3A開(kāi)關(guān)電源MATLAB.doc

. 基于PID控制方式的3A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：一 緒論Buck變換器是最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯?、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負(fù)載電流的要求，設(shè)計(jì)主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見(jiàn)的控制對(duì)象，包括單極點(diǎn)型控制對(duì)象、雙重點(diǎn)型控制對(duì)象等。為了使某個(gè)控制對(duì)象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個(gè)負(fù)反饋。粗略的講，只要使用一個(gè)高增益的反相放大器，就可以達(dá)到使控制對(duì)象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)而言，對(duì)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(wèn)題變得復(fù)雜了。所以，開(kāi)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(dòng)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(lái)改造控制對(duì)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(lèi)型。PD控制器可以提供超前的相位，對(duì)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(huì)引起相位滯后，是以犧牲系統(tǒng)的快速性為代價(jià)提高系統(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。本次設(shè)計(jì)就采用PID控制方式。二 設(shè)計(jì)過(guò)程各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓(VIN)：10；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：3A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開(kāi)關(guān)頻率(fs)：100kHz。設(shè)計(jì)任務(wù)：1. 依據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)主功率電路，采用參數(shù)掃描法，對(duì)所設(shè)計(jì)的主功率電路進(jìn)行仿真；2. 掌握小信號(hào)建模的方法，建立Buck變換器原始回路增益函數(shù)；3. 采用Matlab繪制控制對(duì)象的Bode圖；4. 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，根據(jù)控制對(duì)象的Bode圖，分析所需設(shè)計(jì)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)特性，采用PID調(diào)節(jié)方式。5. 采用Matlab繪制補(bǔ)償器和變換器的Bode圖；6. 綜合仿真，采用所選擇的仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，要求有突加、突卸80%負(fù)載和滿(mǎn)載時(shí)的負(fù)載特性，分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。2.1 主電路設(shè)計(jì)：濾波電感和電容參數(shù)設(shè)計(jì)：輸出紋波電壓只與電容C的大小及Rc有關(guān)： (1)電容C與Rc的乘積趨于常數(shù),約為5080*F。本次課程設(shè)計(jì)中取為75*F。由式(1)可得Rc=83.3m,C=900.36uF。負(fù)載電阻。假設(shè)二極管 D 的通態(tài)壓降 =0.5V, 電感 L中的電阻壓降 =0.1V, 開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通壓降=0.5V。 根據(jù)基爾霍夫電壓方程, 可知開(kāi)關(guān)管 S 閉合與導(dǎo)通狀態(tài)輸入電壓 和輸出電壓滿(mǎn)足如下關(guān)系: (2) (3) (4)可得導(dǎo)通時(shí)間 =5.6s，電感串聯(lián)電阻=01.67，電感值L=41.049H。假設(shè)： 其中L中串聯(lián)電阻可得：由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)取時(shí)，電感電流在2.8A-3.2A之間脈動(dòng)，符合的要求電感電流紋波： iL電流2.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用小信號(hào)模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)： （1）假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm為1.5V，采樣電阻R1=3K，Rb=1.3 K，則 （2）所以： （3）用matlab畫(huà)出的G0（s）的伯德圖：MATLAB的程序?yàn)椋簄um=150e-62den=3.7e-82.5e-51;g=tf(num,den);margin(g); 伯德圖為：此時(shí)穿越頻率為9.67kHz，相位裕度為41.6。PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：要求穿越頻率為10-20kHz，相位裕度為50-55。 K= （1） (2)假設(shè)：期望的相位裕度；穿越頻率為了提高系統(tǒng)穿越頻率，則需要在其幅值下降前抬高它的下降速度為-20db/s，才能提高其穿越頻率。因此令：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)頻率 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)頻率則:零點(diǎn)角頻率極點(diǎn)角頻率倒置零點(diǎn)角頻率 (3)用matlab畫(huà)出伯德圖：程序?yàn)椋?num=1.15e-3 26.61 7.2e4;den=5.03e-6 1 0;g=tf(num,den);margin(g); 加入PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的電路圖： 直流增益 (1)用matlab畫(huà)出伯德圖：程序?yàn)椋簄um=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 負(fù)載的突加突卸突加突卸80%負(fù)載：20%=0.6A電路圖如圖所示,仿真波形圖如圖所示： IL電流 輸出電壓電流2.4電源擾動(dòng)輸入電壓為10V，加入20%的電壓擾動(dòng)，即此時(shí)輸入電壓為9.6V-14.4V,加入的輸入電壓波形如圖所示：電路圖為： 輸出的電壓電流波形圖 iL電流3 心得體會(huì)通過(guò)本次開(kāi)關(guān)電源作業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)開(kāi)關(guān)電源有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。我對(duì)BUCK電路的有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，又再次復(fù)習(xí)了電力電子和自動(dòng)控制原理，加深了以前的學(xué)習(xí)。同時(shí)，學(xué)會(huì)了MATLAB及相關(guān)軟件的使用，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)將會(huì)有很大的幫助。課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程。我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4 參考文獻(xiàn)1 張建生主編現(xiàn)代儀器電源原理技術(shù)設(shè)計(jì)北京：科學(xué)出版社，2005332 陳麗蘭主編 自動(dòng)控制原理 電子工業(yè)出版社 20063 楊旭等.開(kāi)關(guān)