PID控制方式的3A開關(guān)電源MATLAB

1、基于PID控制方式的3A開關(guān)電源MATLAB學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：緒論Buck變換器是最常用的變換器， 工程上常用的拓?fù)淙缯ぁ?半橋、 全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換仿真研究器為例，依據(jù)不同負(fù)載3-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。開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對(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、

2、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。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(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

3、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；基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究4-基于 PID 控制萬式的 3A 開關(guān)電源 MATLAB?真研究開關(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

4、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):5-輸出紋波電壓只與電容C的大小及Rc有關(guān):VrrVrrc_ _iL0.2|N電容C與Rc的乘積趨于常數(shù)，約為5080 ubF。本次課程設(shè)計(jì)中取為75pbF。由式可得Rc=83.3mQ,C=900.36uF。負(fù)載電阻RLVO-1.67。IN3假設(shè)二極管D的通態(tài)壓降VD=0.5V,電感

5、L中的電阻壓降VL=0.1V,開關(guān)管S的導(dǎo)通壓降VON=0.5V。根據(jù)基爾霍夫電壓方程，可知開關(guān)管S閉合與導(dǎo)通狀態(tài)輸入電壓 和輸出電壓VO滿足如下關(guān)系：iLVOVLVONL TON可得導(dǎo)通時(shí)間TON=5.6卩s，電感串聯(lián)電阻RL=01.67Q,電感值L=41.049 p, H假設(shè)：VD0.5V VL0.1V VON0.5V其中L中串聯(lián)電阻RLV0.017IN可得：TON5.6sL 41.049 H2.8A-3.2A之間脈動(dòng)，符合iL0.2IN的要求VlNVlNVOVLVDL TOFFTONTOFF1fs由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)取L 41.049 H時(shí)，電感電流在基于 PID 控制方式

6、的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究6-電感電流紋波:基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究(2)(3)7-2.2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):1VIN(1sCRc)G0(s)?H(s)?Vm1.5V，采樣電阻R1=3KQ,Rb=1.3 KQ,則H(s)凡0.31百SLC(1)假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm為iL電流基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究(2)(3)8-所以:1.5e 4s 223.7e 8s 2.5e 5s 1G(s)基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究9-用mat

7、lab畫出的GO(s)的伯德圖:MATLAB的程序?yàn)椋簄um=150e-6 2den=3.7e-8 2.5e-5 1;g=tf(num,den);margin(g);伯德圖為:10210 104105106Frequency (rad/s)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)：Bode DiagramGm = Inf, Pm = 41.6 deg (at 9.57e*03 rad/smp)基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究10-要求穿越頻率為10-20kHz，相位裕度為50-55基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿

8、真研究11-(1 )假設(shè)：期望的相位裕度60;穿越頻率fc15kHz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fzfJSin3.15e3HzV1 sin補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)頻率fpf血31.7e3HzV 1 sin則：零點(diǎn)角頻率Wz2 fz19.79e4rad /s極點(diǎn)角頻率Wp2 fp3.14e4rad /s倒置零點(diǎn)角頻率L2 fl 3.14kHZGc(s)7知2661s竽3s2s 5.03e 6s(3)K=R3R1 R2Gc(S)(1K S)(1Z2Z3ST)SZ1基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿

9、真研究12-用matlab畫出伯德圖：程序?yàn)椋簄um=1.15e-3 26.61 7.2e4;den=5.03e-6 1 0;g=tf(num,den);margin(g);60Bode Diagram Gm = Inf , Pm = InfQooo3 3 4 4 3 3 2 2mp) wpnlEoes-9010610J5 5 4 4【曙)廉旳101t4105Frequency (radfs)加入PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的電路圖：直流增益214.4e4 52.22s 2.3e 3sG(s)G0(s)?Gc(s)234s 3e 5s 3.7e 8s 1.86e 13s(1)基于 PID 控制方式的 3A

10、 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究13-基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究14-用matlab畫出伯德圖：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%IN=0.6A5VR28.330.2 3A8.33/R,1.67Rn2.084Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s), Pm = 5X5 deg (at 6.29e+04 rad/s)100o o5 55 5p)opnl

11、cbe乏0000Frequency (rad/s)基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究-15電路圖如圖所示仿真波形圖如圖所示:inC曲丄EC.W1仇WE 0.0Q3QQQ5 (XOWQOQ了幺60.OT9 QA基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究-iiIL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：基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究-ii電路圖為:基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究-18aQ網(wǎng)弋r

12、rgrp 鬥lAJH基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究-19輸出的電壓電流波形圖基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源 MATLA 仿真研究-20iL電流3心得體會(huì)通過本次開關(guān)電源作業(yè)設(shè)計(jì)， 使我對(duì)開關(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)基于 PID 控制方式的 3A 開關(guān)電源