基于PI控制方式的A開關(guān)電源的MATLAB仿真【實用文檔】doc

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基于PI控制方式的A開關(guān)電源的MATLAB仿真【實用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載基于PI控制方式的7A開關(guān)電源ＭATLAB仿真研究學(xué)院:電氣與光電工程學(xué)院專業(yè):電氣工程及其自動化目錄0緒論－-—－—－-－-－－-—－-——－—-——-－—-－－—－-——－—-—-———-—－--—-－——－———３1設(shè)計要求--—－－—－—-－－—-－－-—-—-－———-—－——－———--－—－-—-－-—－--—--－——32主電路參數(shù)計算—－——－—－———－—-——－－-－—－—－—－－－—－-—－－-—－－-—-——-—－-－—--——３2。１電容參數(shù)計算－—-－-－--－—-——－－-－-－－-－-—-－－——--－－—--—--—-－－－－—-—-—－—-－４2。2電感參數(shù)計算-———-——－——－-——－-—－-－－—-—－－-—－－—-－—-－———————-—--43補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計-—-－——－—-——-—－-—-—--－——-－—-－-－——－—－--－－——－－－——-－—53．１原始系統(tǒng)的設(shè)計-－—-－——－—-—－－－-－——--－--－－--－—－—-－-———--———-－-－--－—5３。2補償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計算——-—--—－－—--—－－—-—--－-－-－—－－—--——－—－—--——－－－６4負(fù)載突加突卸－--——--－——－--————-－－————-—-－－—-—－———-—－——--—－-—－--－－--—-—-——－9４.1滿載運行—－－—－--－——--———-－－-—－--－—－-————-－-——-—－－－—-—－—-—-－-—--－--－104.２突加突卸80％負(fù)載——－-－——--－－—-－--——--—-－—--——-—--—--－-－—－－—--————-１0４．3電源擾動20%－－-－-－——-—－－－——-—-－——-—--－－－—－－－—————－--————-——-１1５小結(jié)—－--—－-—-—-－－-—--—-——－--－--—－--－—-－—－—-——－-——-—--－－——-—--－-－-－13參考文獻(xiàn)－—－－－－－—－－——-—--—————-———-－－————-—-——-—－———－-—-—－——－-－——-—-－1３緒論隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展對電源的要求也不斷的提高,開環(huán)的電源應(yīng)該說早就不能滿足要求，無論是在輸出參數(shù)的精度還是抗干擾能力方面都比不上閉環(huán)控制系統(tǒng)。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。要同時解決穩(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。本文將通過MATLAB用實例來研究PＩ控制器的調(diào)節(jié)作用。ＢUCＫ總電路設(shè)計Bｕck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯ぁ霕?、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)計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路。２.1技術(shù)指標(biāo)輸入直流電壓（ＶＩN):10V輸出電壓（VO）:５Ｖ；輸出電流（IN)：7Ａ；輸出電壓紋波（Vrr）:5０mＶ；基準(zhǔn)電壓（Vｒef）:1。5V;開關(guān)頻率(fs）：１００kHｚ。2.２主電路參數(shù)計算Buck變換器主電路如圖(1）所示,其中Rc為電容的等效電阻。圖（1）（１)濾波電容參數(shù)計算輸出紋波電壓只與電容Ｃ的大小有關(guān)及Rｃ有關(guān):（1）將，IN=７Ａ帶入得，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.本例中取為則：C=21０0μＦ.(2)濾波電感參數(shù)計算當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)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(shè)二極管的通態(tài)壓降，電感中的電阻壓降,開關(guān)管的導(dǎo)通壓降。又因為（4）所以由式(2)、(３）、(4）聯(lián)立可得，并將此值回代式(２),可得Ｌ＝1７。６uH（此處?。?uH)。負(fù)載電阻計算由matlａb仿真，得圖2,可知當(dāng)取時，電感電流在6.2A-7.6A之間脈動,符合的要求圖（2）補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計３.１原始系統(tǒng)的設(shè)計采用小信號模型分析方法得Ｂｕck變換器原始回路增益函數(shù)GＯ（s)為：假設(shè)ＰWM鋸齒波幅值為Vm=１。５V，采樣電阻Rx=3k?,Ry=1．3ｋ?。采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖（3）所示,MＡTLＡＢ的程序如下:nuｍ=［0。００0150２];deｎ＝［0。00０0000370．００00251］；g0＝tf(ｎum,den)；boｄe(g0)；maｒｇin(ｇ0）；圖（3)如圖所得,該系統(tǒng)相位裕度4０．5度,穿越頻率為1.４8kＨz,所以該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好。需要加入補償網(wǎng)絡(luò)使其增大穿越頻率和相位裕度，增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性.3．２補償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計算采用如圖(４）所示的PI補償網(wǎng)絡(luò)。PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P)、積分（Ｉ)環(huán)節(jié)經(jīng)過線性組合構(gòu)成控制量.稱為PI調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器由于引入了積分環(huán)節(jié)(Ｉ）所以在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時，此環(huán)節(jié)基本沒有作用,但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過足夠長的時間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài)。圖（４）采樣電壓為1.５Ｖ則取采樣電阻R6、R7分別為3Ｋ和1。3K。如圖所示我采用的是MATＬAB自帶的PI調(diào)節(jié)器，查用戶手冊得到其傳遞函數(shù)為:則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為:設(shè)穿越頻率為，則系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為:其中,振蕩阻尼系數(shù)為了增加系統(tǒng)的快速性,需要提高穿越頻率，一般穿越頻率以小于1/５較為恰當(dāng)。本次取=15khｚ，則穿越頻率。將數(shù)據(jù)代入得相位裕度一般相位裕度為則取，將K取不同的值在ＭAＴLAB上仿真得到k=20時較為理想。則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖，程序如下：num＝[40e-52０］；ｄeｎ=[2ｅ-5，0］;ｇ＝tf（nuｍ，deｎ);marｇin(ｇ）圖(5）則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：通過matｌaｂ繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：nuｍ=［0．０001５02］；dｅn＝［0．000000０3７０．０0００251］；g0=tf(num,den）；boｄe(g０）;margin(ｇ0）;hｏｌdonnum＝［4０ｅ—5２０]；ｄeｎ=[2e－5，０］；ｇ=tｆ(num，den）;ｍarｇin（ｇ）；hｏｌｄonnum=[0。000152］；dｅn=[0．0０0000０37０。00０021]；f=tf（nuｍ，den）；nｕm１=[40e-５20]；deｎ1=[2e—50];g=ｔf(ｎuｍ1，den1）;ｎum2=cｏnｖ（ｎuｍ,nuｍ１);den2=ｃｏnv（den，den1）；ｍarｇｉn(ｎｕm2，deｎ2）總系統(tǒng)伯德圖如下圖:圖（6）由圖可以看出矯正后的系統(tǒng)相位裕度，穿越頻率為14.７kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善.負(fù)載突加突卸4.1滿載運行滿載運行的電路圖如圖(4）所示,仿真結(jié)果如圖(7）所示。圖（７）4。2突加突卸80%負(fù)載計算參數(shù):負(fù)載突加突卸電路圖如圖(8）圖(8)仿真結(jié)果如圖(9）所示圖(9）由仿真圖可以看出系統(tǒng)具有較好的抗負(fù)載擾動能力.４.３電源擾動為系統(tǒng)電源加上２0%的變化擾動，即電源電壓變?yōu)?和１２,電路圖（10)如下圖(1０)電源擾動仿真結(jié)果如圖(11)所示圖（11）由仿真圖的擾動波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動的能力，符合設(shè)計要求.小結(jié)本次電源設(shè)計在BUＣＫ電路原理的基礎(chǔ)上建立了小信號等效電路模型，并通過對PI控制器的設(shè)計,以及使用ＭAＴALAＢ對電路進(jìn)行仿真，基本實現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并通過負(fù)載突加突卸對電路的抗干擾性進(jìn)行了驗證。完成了這次研究論文我對ＢUCK電路有了更為深刻的認(rèn)識,可以較為熟練的使用ＭATＬＡB軟件對電路進(jìn)行仿真研究，對MATＡＬAＢ也有了一定的了解，可以通過它來精確繪制傳遞函數(shù)的伯德圖。對于這次的研究讓我們更加懂得了學(xué)好這們功課的重要性,并且也要有足夠的自學(xué)能力。在這次研究中,我遇到了很多的難題,但是在最后通過與同學(xué)的交流和上網(wǎng)查找資料及圖書館翻閱圖書，最后終于把這些難題搞懂了。我深刻的認(rèn)識到要真正掌握知識就要學(xué)會如何熟練地運用它。平時上課,我們不能只注重課本上的知識的吸收，更要運用于實際，學(xué)好本專業(yè)，也有利于我們將來的工作參考文獻(xiàn)[1］張衛(wèi)平等．開關(guān)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(guān)電源(Buck電路）的小信號模型及環(huán)路設(shè)計［J]．電源技術(shù)應(yīng)用,２0０4,7(3):1４２-１45.［3]楊旭等．開關(guān)電源技術(shù)［Ｍ]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，200４。０3.[4］張占松，蔡宣三。開關(guān)電源的原理與設(shè)計［Ｍ］.北京:電子工業(yè)出版社，19９９：176~1８4。[5］王兆安，黃俊。電力電子技術(shù)［Ｍ].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,200２：258~２63.［6］周志敏.周紀(jì)海.開關(guān)電源實用技術(shù)與應(yīng)用[M]。北京:人民郵電出版社,２00３:15~１7。［7]張?zhí)m紅。基于電流控制技術(shù)反激式變換器研究［J］．南京：南京航空航天大學(xué)，2001：68~7５．［８]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，２003:３25~328.基于PID控制方式的9A開關(guān)電源Multisim仿真研究學(xué)院：電光學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名：學(xué)號:目錄TOC\o"1-6”\h\u326331。引言3310112.基于PID控制方式的Buck電路的綜合設(shè)計3312812.1設(shè)計指標(biāo)3251102。2Buck主電路的參數(shù)設(shè)計424782。3用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算5214393．PID補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計8222573.1主電路直流增益計算8320853。2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計：控制方式為PID。9157883.3變換器傳遞函數(shù)及波特圖11224834。Buck變換器的負(fù)載突加突卸仿真12222194.1總電路圖的設(shè)計如圖1253184。2突加突卸80％負(fù)載141595。小結(jié)152157參考文獻(xiàn)151。引言開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象,包括單極點型控制對象、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(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,已知主電路的時間常數(shù)較大、響應(yīng)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)計要同時解決穩(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(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。2?；赑ID控制方式的Buck電路的綜合設(shè)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(xiàn)以Buck變換器為例，根據(jù)不同負(fù)載電流的要求，設(shè)計功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路.2.1設(shè)計指標(biāo)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(zhǔn)電壓（Vref）：1。5V；開關(guān)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1Buck變換器的主電路主電路圖1Buck變換器的主電路主電路2.2Buck主電路的參數(shù)設(shè)計(1）濾波電容參數(shù)計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(2）濾波電感參數(shù)計算當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)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(shè)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(guān)管的導(dǎo)通壓降VON=0。5V。又因為(4)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=13。69μH。實際取14μH.2。3用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算當(dāng)L=14uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖2所示。22當(dāng)L=8uH時,輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖當(dāng)L=18uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如圖所示。3．PID補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計3.1主電路直流增益計算現(xiàn)假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm為1.5V采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)負(fù)載電阻值品質(zhì)因數(shù)直流增益雙重極點頻率：即故:=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=3;den1=［0.0000000380。00002501];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(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好，需要加入補償網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計：控制方式為PID。補償網(wǎng)絡(luò)電路圖其傳遞函數(shù)為：，其中:，，,由于穿越頻率小于,所以設(shè)為開關(guān)頻率的，倒置零點的頻率為穿越頻率的，即:設(shè)相位裕度為52°，則補償網(wǎng)絡(luò)的零點頻率為：補償網(wǎng)絡(luò)的極點頻率為：PID網(wǎng)絡(luò)直流增益為：令，可得：，，,故：根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖所示，MATLAB的程序如下:num1=conv([0。00004631］,［17。1053694］);den1=[0。0000054810];figure(1);[mag，phase，w]=bode（num1，den1）;margin（mag,phase,w）3。3變換器傳遞函數(shù)及波特圖補償后的變換器傳遞函數(shù)G(s)=QUOTE,所以其波特圖是控制器與補償網(wǎng)絡(luò)的波特圖的疊加。即num1=3;den1=[0。0000000380。000032501];g1=tf（num1，den1）;num2=conv(［0。00004631],［17。1053694]）;den2=［0。0000054810］；g2=tf（num2，den2)；bode(g1,'+',g2,'：'，g1*g2，’—')三個傳遞函數(shù)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(wǎng)絡(luò)特性，實線表示變換器特性加了PID補償網(wǎng)絡(luò)后由仿真結(jié)果可見，穿越頻率fc=10kHZ，相位裕度φm=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(yīng)和穩(wěn)定性，所以滿足了要求。Buck變換器的負(fù)載突加突卸仿真4.1總電路圖的設(shè)計如圖4.2突加突卸80％負(fù)載計算參數(shù)：小結(jié)本文以Buck變換器為研究對象，掌握了PID補償網(wǎng)絡(luò)在恒壓原單環(huán)控制中的應(yīng)用特點，關(guān)注了穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)和高頻干擾抑制能力.通過理論的研究和推導(dǎo)設(shè)計出了PID控制小信號模型和傳遞函數(shù)，并且具體的設(shè)計出了電路的參數(shù)，并且對設(shè)計的電路進(jìn)行了仿真.通過這次設(shè)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(guān)變換器的建模知識;對PID控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認(rèn)識;熟練運用Multisim,Matlab等仿真軟件;對開關(guān)電源的用途、現(xiàn)狀與發(fā)展有了新的體會。參考文獻(xiàn)［1]張衛(wèi)平等.開關(guān)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(guān)電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設(shè)計[J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2004,7（3）:142—145.[3］楊旭等。開關(guān)電源技術(shù)[M]。北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004。03.［4]占松，蔡宣三。開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］。北京：電子工業(yè)出版社，1999:176~184。[5］王兆安，黃俊。電力電子技術(shù)[M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:258~263。［6]周志敏。周紀(jì)海.開關(guān)電源實用技術(shù)與應(yīng)用[M］.北京：人民郵電出版社，2003:15～17.[7］B。Holland.ANewIntegratedCircuitforCurrent—ModeControl，Powercon10Proceedings，PaperC—2,2003。56~59.[8]Bums,A.Ohri.ImprovingOff—LineConverterPerformancewithCurrent-ModeControl，Powercon10Proceedings，PaperB—2，1993：132～135.［9]張?zhí)m紅.基于電流控制技術(shù)反激式變換器研究[J］。南京：南京航空航天大學(xué),2001:68～75。[10］張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］。北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:325～328?；赑ＩD控制方式9Ａ開關(guān)電源Ｐsim仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè):電氣工程及其自動化班級：1３電卓姓名:唐修亮學(xué)號：１302042５緒論開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PＷM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前,開關(guān)電源以高效率、小體積、重量輕、安全可靠等特點,以用來作為電腦、家電、通信設(shè)備等現(xiàn)代化用電設(shè)備的電源,為世界電子工業(yè)產(chǎn)品的小型化、輕型化、集成化作出了很大的貢獻(xiàn),是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象,包括單極點型控制對象、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(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,已知主電路的時間常數(shù)較大、響應(yīng)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)計要同時解決穩(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。PI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(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。一.設(shè)計要求及設(shè)計背景１。設(shè)計要求依據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計主功率電路，采用參數(shù)掃描法，對所設(shè)計的主功率電路進(jìn)行仿真;掌握小信號建模的方法，建立Ｂｕck變換器原始回路增益函數(shù)；采用Matlaｂ繪制控制對象的Boｄe圖；根據(jù)控制對象的Ｂoｄe圖，分析所需設(shè)計的補償網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。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)載和滿載時的負(fù)載特性，分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動態(tài)響應(yīng)速度。2．設(shè)計背景Buｃk變換器最常用的變換器,工程上常用的拓?fù)淙缯?、半橋、全橋、推挽等也屬于Bｕｃｋ族，其優(yōu)點有輸出電流紋波小，結(jié)構(gòu)簡單，變比可調(diào)，實現(xiàn)降壓的功能等。然而其輸出電壓紋波較大，bｕck電路系統(tǒng)的抗干擾能力也不強。為了使其具抗干擾能力,輸出電流達(dá)到所需的等級,減小其電壓紋波,現(xiàn)設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán),提高系統(tǒng)的能力。二．Bucｋ變換器主電路設(shè)計1技術(shù)指標(biāo):輸入直流電壓（VＩN）：12V；輸出電壓（ＶO）：5V；輸出電流（IN)：9Ａ;輸出電壓紋波（Ｖrｒ)：50ｍV;基準(zhǔn)電壓（Vrｅf):1。5V；開關(guān)頻率（fs）：100kHｚ；2主電路及參數(shù)計算2。1主電路圖1ｂuｃｋ主電路２.２濾波電容計算輸出紋波電壓只與電容容量及ESR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C與ＲC的乘積趨于常數(shù)，約為5０～80μ·ΩF。本次設(shè)計中取為７５μ·ΩＦ，由式（1）可得：RＣ=27.78mΩ，C=２700μＦ。1.2.3濾波電感的計算(２)（3)(4）圖2開關(guān)管開通及關(guān)斷時的等效電路由基爾霍夫電壓定律可知開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷滿足下列方程假設(shè)：其中L中串聯(lián)電阻得當(dāng)L=16．６0uH時，輸出電流為：當(dāng)Ｌ=16．60uH時，輸出電壓為：輸出電壓和電流以及輸出電壓紋波如下圖所示:當(dāng)L=16.60μH時，電感電流在9.6~１０。８之間波動,符合△iＬ≤0．2ＩＮ＝1。8A的設(shè)計要求,并且理論分析與仿真結(jié)果一致。三.補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖７Buck變換器控制圖3.１原始回路增益函數(shù)采用小信號模型分析方法可得buck變換器原始回路增益函數(shù)則(4）假設(shè):ＰＷM鋸齒波幅值再假設(shè)采樣電阻Rx=3KΩ，Ry=1.3KΩ則采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)(5)當(dāng)S＝0時，原始函數(shù)增益為:所以極點頻率根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖8所示，MATＬＡB的程序如下：num=［1.８*１0^(—4）２。4］；den=[4。48＊１0^(－8）2９.6＊10^(-６)１];H=tｆ(ｎum,ｄeｎ);bｏｄe（H);［mag，phase,w]=bode（H）；[gｍ，wcg，wcp]=margiｎ（ｍaｇ，phase，w);［pｍ，ｗcg，wｃｐ］=margiｎ(maｇ，ｐhaｓe,w）；mａrgin（H）；ｄisplａy（pm)；display（gm)；圖8原始回路傳遞函數(shù)波特圖從圖８中可以得出起初的相位裕度:40。5°穿越頻率:1.4９e3Hz根據(jù)要求相位裕度應(yīng)達(dá)到50°-55°穿越頻率提升到（即１０kHz—20ｋHz）均不滿足，因此需提高其相位裕度，穿越頻率。3．2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原始系統(tǒng)主要問題是相位裕度太低、穿越頻率太低。改進(jìn)的思路是在遠(yuǎn)低于穿越頻率fc處，給補償網(wǎng)絡(luò)增加一個零點fZ,開環(huán)傳遞函數(shù)就會產(chǎn)生足夠的超前相移,保證系統(tǒng)有足夠的裕量；在大于零點頻率的附近增加一個極點fP，并且為了克服穩(wěn)態(tài)誤差大的缺點,可以加入倒置零點fＬ,為此可以采用如圖9所示的PID補償網(wǎng)絡(luò).圖9PID補償網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電路寫出的PＩD補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：（６)式中:為了提高穿越頻率，設(shè)加入補償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率是開關(guān)頻率的十分之一，即：（７）在這里，假設(shè)選擇的倒置零點的頻率為穿越頻率的二十分之一，則有:（8）假設(shè)預(yù)期的相位裕度，則PＩD補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)計算值如下:零點頻率極點頻率零點角頻率極點角頻率倒置零點角頻率所以直流增益根據(jù)上面計算數(shù)據(jù)，得出補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：(9)根據(jù)PID補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖１0所示，ＭATLＡＢ的程序如下：num＝［１。1７＊10^（-３)28.3777500］；dｅn＝［５.32*10^(-6)1］；H=tf（num，den);boｄe(Ｈ）；［mag,ｐhase，w］=bｏｄe(H)；[gm，wcg，wｃｐ］=mａｒgｉｎ（mag,pｈase，w）;［ｐm，wcｇ，wｃｐ］＝mａrgｉn(ｍag，phaｓｅ，w)；ｍａrgiｎ（H)；diｓpｌay（ｐm)；dｉsｐｌay(gm）；圖10ＰID補償網(wǎng)絡(luò)的波特圖所以最后補償后的整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：（10）根據(jù)上面的傳遞函數(shù)，可以繪制出加PIＤ補償網(wǎng)絡(luò)后的傳遞函數(shù)波特圖如圖11所示,MATLAB的程序如下:num1=2．4；dｅn1=[4.48*10^(—8）29．6＊10^(-6）1］;g１=tf(num1,ｄｅn１）；ｎuｍ2=cｏnv（[4.7５*1０^(—5）１］，[2４。6７2４.6７＊3。１4＊1０00])；deｎ2=[5.３2*1０^（—6）1]；ｇ2＝tｆ（nuｍ2,dｅn2）;bｏde（g1，＇+＇，g2，’：’，g１*g２，’－')；以上程序是看波特圖的曲線。ｎum=cｏnｖ（2.４*24。6７*［4.75*10^（－５)1]，［1３14０]）;dｅn=［２3.83＊10＾(—１4)４．5＊1０^（-８）３4.92*1０＾（—6)10］；H=ｔf（ｎuｍ,deｎ）;bode(H）;[mａｇ,phase，ｗ]=bode(H）;[gm，wcｇ，wcp]=margin（ｍag，ｐhaｓe,w);［pm,wcg，wcp]＝margin(mａｇ，phase，w）;maｒgin（H）；diｓplaｙ（pｍ）;diｓplay（gｍ）;這個程序是看波特圖的相位裕度。圖１1系統(tǒng)總回路傳遞函數(shù)波特圖從圖11可看出，相位裕度為5０。8°,穿越頻率為1ｅ4Hz，由此可知經(jīng)過校正后滿足了先前的要求。３．3補償網(wǎng)絡(luò)電路中的參數(shù)計算假設(shè)補償網(wǎng)絡(luò)中Ｃi=1μF，則根據(jù)前面的公式，以及算出的直流增益、零點角頻率、極點角頻率、倒置零點角頻率可得：Rｉz=47．５，Ｒip=６，Ｒf=１3１9。８，Cf=２４1實際中取Rｉz=50，Rip＝6,Rf＝1４00，Cｆ=2５0由于,有20%~10０％的負(fù)載擾動,３。４系統(tǒng)仿真圖1２總系統(tǒng)圖（負(fù)載擾動）圖12中的R的值不是額定的值，而是20%后計算所得的值。變換器仿真結(jié)果如圖突加、突卸8０％負(fù)載時:由于有20%－-１００%的負(fù)載擾動，２0％In=1。2ＡＲＬ=5/１.2=4。167Ω２5/／Rn＝0。8３解得Rn＝０．859Ω突加、突卸8０%負(fù)載時的Psim圖如圖13示：圖13突加、突卸80%負(fù)載時的Psim圖變換器仿真結(jié)果如圖１4示：圖14變換器仿真結(jié)果四。心得體會本次開關(guān)電源課程的大作業(yè),通過pｓim對ｂuck變換的仿真,讓我充分了解到大學(xué)學(xué)習(xí)的不僅僅是理論知識，更重要的還是把所學(xué)的在實踐中運用起來。在對電路圖的仿真中，我遇到了不少問題,通過這些問題我向許多掌握的比較好的同學(xué)求教，最后有些問題基本解決了，還有的需要以后更深刻的去認(rèn)識與理解psim的工作方式與特性。這次的大作業(yè)，也提前教會了我如何規(guī)范一篇論文的格式要求，為我大四的論文設(shè)計增添了基礎(chǔ)。并且在實踐中增加了我的交際能力。此次大作業(yè)，也教會了我如何去學(xué)習(xí)課本以外的文獻(xiàn)來豐富自己的知識,并把這些文獻(xiàn)的內(nèi)容為自己所用。通過對buｃk電路的仿真研究，充分鍛煉了自己,對以后的學(xué)習(xí)有很大幫助。參考文獻(xiàn)[1］張建生主編。《現(xiàn)代儀器電源》[M]．北京：科學(xué)出版社2005:1－26。［2]王兆安，黃俊主編?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:94-96．［３]陳麗蘭主編．《自動控制原理》[M].北京：電子工業(yè)出版社，2０0６：73-74.［４］張衛(wèi)平主編.《開關(guān)變換器的建模與控制》［M]．北京:中國電力出版社，２005：１３4-141．[５]徐德鴻譯.《電力電子系統(tǒng)建模及控制》[M］。北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005：17４—180.[6］張晉格主編.《控制系統(tǒng)ＣAD》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,２004：12８-134?；赑I控制方式的９A開關(guān)電源Psim仿真研究學(xué)院:電光學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名:學(xué)號：一、引言Buck變換器最常用的變換器，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)計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路。開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象，包括單極點型控制對象、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(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。這次的課程設(shè)計,根據(jù)不同的負(fù)載電流、控制方式、仿真軟件,每個人可以從中學(xué)到很多.二、實驗?zāi)康模?)了解Bucｋ變換器基本結(jié)構(gòu)及工作原理；（２）掌握電路器件選擇和參數(shù)的計算；（3)學(xué)會使用psim仿真軟件對所設(shè)計的開環(huán)降壓電路進(jìn)行仿真；（4)學(xué)會使用psim仿真軟件對控制環(huán)節(jié)的仿真技術(shù)；(5)學(xué)會分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動態(tài)響應(yīng)速度.三、技術(shù)指標(biāo)輸入直流電壓（V):１0V輸出電壓V：5V輸出電流I：9Ａ輸出電壓紋波Ｖ：5０mV基準(zhǔn)電壓Ｖ:1。5Ｖ開關(guān)頻率f：100KHＺ主電路的功率設(shè)計（1)濾波電容參數(shù)計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=27。78ｍΩ,C=2707μＦ。（2）濾波電感參數(shù)計算當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)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(shè)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(guān)管的導(dǎo)通壓降VOＮ=０。５V。帶入（2）(３）式可得Ｔ=５。6，T=4。4,L=1３.7.2．1當(dāng)L=10時，輸出電壓和電流波形以及輸出電壓和電流的紋波如圖所示2。2當(dāng)Ｌ=13.７時，輸出電壓和電流以及它們的紋波如下圖:2．3當(dāng)L=３0時，輸出電流電壓以及它們的紋波如下圖：五、原始系統(tǒng)的設(shè)計（1）采用小信號模型分析方法得Buｃk變換器原始回路增益函數(shù)ＧO(ｓ）為：假設(shè)PＷM鋸齒波幅值為Vｍ＝１。５V,采樣電阻。采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:=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：nｕm=［0.000152];deｎ=［0.０００0０0０３710。000０2451］；ｇ0=tf(nｕm，deｎ）；bode（g０）;Mａrgiｎ（g0);如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度為41。４度,穿越頻率為1.54ｋhz，所以該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好.需要加入補償網(wǎng)絡(luò)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。補償