基于PID控制方式的9A開關電源Multisim

1、基于PID控制方式的9A開關電源Multisim仿真研究 學院：電光學院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： 姓名： 學號： 目錄1.引言32.基于PID控制方式的Buck電路的綜合設計3 2.1設計指標3 2.2 Buck主電路的參數設計4 2.3用Multisim軟件參數掃描法計算53PID補償網絡設計8 3.1主電路直流增益計算8 3.2補償網絡的設計：控制方式為PID.9 3.3變換器傳遞函數及波特圖114. Buck變換器的負載突加突卸仿真12 4.1總電路圖的設計如圖12 4.2突加突卸80%負載145. 小結15參考文獻151.引言開關調節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象，包括單極點型控制對象、

2、雙重點型控制對象等。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，就可以達到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實際系統(tǒng)而言，對于負載的突變、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、快地做出合適的調節(jié)，這樣就使問題變得復雜了。例如，已知主電路的時間常數較大、響應速度相對緩慢，如果控制的響應速度也緩慢，使得整個系統(tǒng)對外界變量的響應變得很遲緩；相反如果加快控制器的響應速度，則又會使系統(tǒng)出現振蕩。所以，開關調節(jié)系統(tǒng)設計要同時解決穩(wěn)、準、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，設計出合理的控制器，用控

3、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、減少調節(jié)時間等十分有利，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)的快速性為代價提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID控制器兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但實現與調試要復雜一些。本文中介紹基于PID控制器的Buck電路設計。2.基于PID控制方式的Buck電路的綜合設計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以Buck變換器為例，

4、根據不同負載電流的要求，設計功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設計控制環(huán)路。2.1設計指標輸入直流電壓(VIN)：10V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IIN)：9A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：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。 圖1 Buck變換器的主電路主電路2.2 Buck主電路的參數設計(1)濾波電容參數計算 輸出紋波電壓只與電容C的大小有關及Rc有關： （1）電解電容生產廠商很少給出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，約為。本例中取為

5、(2)濾波電感參數計算 當開關管導通與截止時變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式（2）、（3）所示： （2） （3）假設二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關管的導通壓降VON=0.5V。又因為 （4）所以由式（2）、（3）、（4）聯立可得TON=5.6S，并將此值回代式(2)，可得L=13.69H。實際取14H.2.3用Multisim軟件參數掃描法計算當L=14uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖2所示。2當L=8uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖當L=18uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖所示。3PID補償網絡設計3.1主電路直流增益計算

6、現假設PWM鋸齒波幅值Vm為1.5V采樣網絡傳遞函數負載電阻值品質因數直流增益雙重極點頻率：即故： = 根據原始系統(tǒng)的傳遞函數可以得到的波特圖如圖5所示，MATLAB的程序如下：num1=3;den1=0. 0. 1;figure(1);mag,phase,w=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度4.92，穿越頻率1.63e+03HZ,所以該傳遞函數穩(wěn)定性和快速性均不好，需要加入補償網絡使其增大穿越頻率和相位裕度，使其快速性和穩(wěn)定性增加。3.2補償網絡的設計：控制方式為PID.補償網絡電路圖其傳遞函數為：，其中:,由于穿越頻率小于，所以

7、設為開關頻率的，倒置零點的頻率為穿越頻率的，即：設相位裕度為52，則補償網絡的零點頻率為：補償網絡的極點頻率為：PID網絡直流增益為：令，可得：，故：根據原始系統(tǒng)的傳遞函數可以得到的波特圖如圖所示，MATLAB的程序如下：num1=conv(0. 1,17.10 53694);den1=0. 1 0;figure(1);mag,phase,w=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)3.3變換器傳遞函數及波特圖補償后的變換器傳遞函數G(s)=，所以其波特圖是控制器與補償網絡的波特圖的疊加。即num1=3;den1=0. 0. 1;g1=tf(num1,den1);

8、num2=conv(0. 1,17.10 53694);den2=0. 1 0; g2=tf(num2,den2);bode(g1,+,g2,:,g1*g2,-) 三個傳遞函數的Bode圖如下：注：圖中星形線表示控制對象特性，虛線表示補償網絡特性，實線表示變換器特性加了PID補償網絡后由仿真結果可見，穿越頻率fc=10kHZ,相位裕度m=49。比起T(s)穿越頻率增加，提高了相位裕度，改善了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性，所以滿足了要求。4. Buck變換器的負載突加突卸仿真 4.1總電路圖的設計如圖4.2突加突卸80%負載計算參數：5. 小結 本文以Buck變換器為研究對象，掌握了PID補償網絡在恒

9、壓原單環(huán)控制中的應用特點，關注了穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)響應和高頻干擾抑制能力。通過理論的研究和推導設計出了PID控制小信號模型和傳遞函數，并且具體的設計出了電路的參數，并且對設計的電路進行了仿真。通過這次設計主要取得了如下成果：掌握了一定的電力電子建模知識、開關變換器的建模知識；對PID控制在Buck變換器的應用上有了較好的認識；熟練運用Multisim，Matlab等仿真軟件；對開關電源的用途、現狀與發(fā)展有了新的體會。參考文獻1張衛(wèi)平等.開關變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版社,2006.01.2萬山明,吳芳.開關電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設計J. 電源技術應用,2004,7(3)

10、:142-145.3楊旭等.開關電源技術M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.03.4占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計M.北京：電子工業(yè)出版社，1999:176184.5王兆安，黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2002:258263.6周志敏.周紀海.開關電源實用技術與應用M.北京：人民郵電出版社，2003:1517.7B.Holland. A New Integrated Circuit for Current-Mode Control, Powercon 10 Proceedings, Paper C-2, 2003.5659.8Bums, A.Ohri. Improving Off-Line Converter Performance with Cu