基于PID控制方式的5A開關(guān)電源PSIM仿真研究

1、基于PID控制方式的5A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(dòng)化 班級(jí)：1 引言電源是組成各種電子設(shè)備的最基本部分，每個(gè)電子設(shè)備均會(huì)要求有一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源來供給設(shè)備的各種信號(hào)處理電路的直流偏置，以期達(dá)到各信號(hào)處理電路能穩(wěn)定可靠的工作。 目前，開關(guān)電源變換器以它的高效率、小體積、重量輕等特點(diǎn)，已用來作為電腦、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)。在開關(guān)電源中，變換器占據(jù)著重要地位，其中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，其優(yōu)點(diǎn)有輸出電流紋波

2、小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變比可調(diào)，實(shí)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(qiáng)。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)的控制性能，但實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。本文主要介紹基于PID控制的Buck電路設(shè)計(jì)，使其具抗干擾能力，輸出電流達(dá)到所需的等級(jí)，減小其電壓紋波，最終提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2

3、 基于PID控制的Buck電路主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算2.1 Buck主電路設(shè)計(jì)主電路如圖1所示圖1 Buck變換器主電路2.2 設(shè)計(jì)要求技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓(VIN)：10V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：5A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz.設(shè)計(jì)主電路以及校正網(wǎng)絡(luò)，使?jié)M足以上要求。2.3 Buck主電路各參數(shù)計(jì)算 （1）濾波電容參數(shù)計(jì)算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關(guān)： 通常并未直接給出，但趨于常數(shù)，約為，此處取可得：可得： （2）濾波電感參數(shù)計(jì)算根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可知開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)下輸入電壓和輸

4、出電壓滿足下列方程: (式1）且有 假設(shè)Buck變換器性能要求，假設(shè)二極管D的通態(tài)壓降,電感L中的電阻壓降為,開關(guān)管S中的導(dǎo)通壓降,且有串聯(lián)電阻值為：將數(shù)據(jù)代入式1，可知：上式/下式可知：且已知解得： 導(dǎo)通時(shí)間 電感 取 占空比 2.3 采用參數(shù)掃描法，對(duì)所設(shè)計(jì)的主電路進(jìn)行psim仿真當(dāng)，電感電流和輸出電壓的波形分別如下:圖2 電感波形圖3 輸出電壓波形當(dāng)，電感電流和輸出電壓的波形分別如下:圖3 電感波形圖4 輸出電壓波形當(dāng)，電感電流和輸出電壓的波形分別如下:圖3 電感波形圖6 輸出電壓波形經(jīng)過PSIM仿真可得圖4電感電流波形及圖5輸出電壓波形，可知當(dāng),電感電流、輸出電壓足以及輸出電壓紋波為5

5、0mV的要求。3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1 原始回路增益函數(shù)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)：假設(shè)PWM鋸齒波幅值,采樣電阻，由此可得采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為： 原始回路直流增益：對(duì)數(shù)增益： 代入原始回路增益函數(shù)可得： （式a) 極點(diǎn)頻率： 零點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率： 使用MATLAB畫出原始回路增益函數(shù)伯德圖 程序如下：num=conv(2,7.56e-5 1);den=3.69e-8 2.5e-5 1;g=tf(num,den);margin(g)圖7 原始回路增益函數(shù)伯德圖由圖4所示伯德圖易看出： 相位裕度：41.8 穿越頻率：根據(jù)要求相位裕度應(yīng)達(dá)到50-55，且有開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率

6、應(yīng)為開關(guān)頻率的1/5-1/10之間,即為10-20kHz?？梢?，原始回路增益函數(shù)既不滿足相位裕度的要求，也不滿足穿越頻率的要求，所以必須提高其相位裕度、穿越頻率。3.2 PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)： （式2.2） 加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率有：-20kHz) 取相位裕度55，穿越頻率 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)頻率: 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)頻率: 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)直流增益： 零點(diǎn)角頻率： 極點(diǎn)角頻率： 倒置零點(diǎn)角頻率： 將上述所計(jì)算的參數(shù)值代入式2.2，可得補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為： 解得： (式b) 使用MATLAB繪制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)伯德圖 程序如下： num=1.15e-3 26.61 7200

7、0; den=5.03e-6 1 0; g=tf(num,den); margin(g);圖8 PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)伯德圖 補(bǔ)償后的Buck變換器整個(gè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：使用PSIM繪制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)伯德圖 程序如下： num=conv(2.324e-3 46,1 3.14e+3); den=conv(3.69e-8 2.5e-5 1,5.03e-6 1 0); g=tf(num,den); margin(g);圖9 整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)補(bǔ)償后的伯德圖 由圖6所示系統(tǒng)伯德圖易知： 相位裕度：52.8 穿越頻率：10.1kHz 因此經(jīng)過校正，系統(tǒng)滿足了要求指標(biāo)。 PID補(bǔ)償后總的系統(tǒng)伯德圖如下：num=2

8、;den=3.69e-8 2.5e-5 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=1.15e-3 26.61 72000;den=5.03e-6 1 0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=2;den=3.69e-8 2.5e-5 1;f=tf(num,den);num1=1.15e-3 26.61 72000;den1=5.03e-6 1 0;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)；圖10 PID補(bǔ)

9、償后總的系統(tǒng)伯德圖4 負(fù)載滿載運(yùn)行及突加突卸4.1 負(fù)載滿載運(yùn)行時(shí)的電路圖及其波形仿真4.1.1 負(fù)載滿載運(yùn)行時(shí)的電路圖圖11 負(fù)載滿載運(yùn)行電路圖4.1.2 負(fù)載滿載運(yùn)行時(shí)的仿真圖圖12 負(fù)載滿載運(yùn)行電流、電壓波形圖圖13 負(fù)載滿載運(yùn)行電流、電壓波形局部圖4.2 負(fù)載突加突卸80%時(shí)的電路圖及其波形仿真4.2.1 負(fù)載突加突卸80%運(yùn)行時(shí)的電路圖 突加突卸80%負(fù)載： 20%=1A 圖14 負(fù)載突加突卸80%運(yùn)行時(shí)的電路圖4.2.2 負(fù)載突加突卸80%運(yùn)行時(shí)的仿真圖圖12 負(fù)載突加突卸80%運(yùn)行時(shí)電流、電壓波形圖圖15 負(fù)載突加突卸80%運(yùn)行時(shí)電流、電壓局部波形圖 5 電源擾動(dòng)20%時(shí)電路圖及

10、仿真圖 5.1 負(fù)載滿載運(yùn)行時(shí)的電路圖及其波形仿真5.1.1 電源擾動(dòng)20%運(yùn)行時(shí)的電路圖圖16 電源擾動(dòng)20%運(yùn)行時(shí)的電路圖 5.1.2 電源擾動(dòng)20%運(yùn)行時(shí)的仿真圖圖17 電源擾動(dòng)20%運(yùn)行時(shí)的電流、電壓波形圖圖18 電源擾動(dòng)20%運(yùn)行時(shí)的電流、電壓局部波形圖6 作業(yè)小結(jié)我想談?wù)劚敬巫鳂I(yè)的感受與收獲：還記得第一次老師跟我們提及這份作業(yè)時(shí)，大家都一臉茫然，可以說是覺得是一座高峰，根本無法跨越。一是覺得自己相關(guān)學(xué)科很薄弱，沒有形成一套較為完整的知識(shí)體系，如電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理等知識(shí)根本沒有掌握的很好；二是，老師要求我們每個(gè)人使用一種控制方法，使用不同軟件達(dá)到不同的功能，最讓人擔(dān)心的是那些

11、軟件在這份作業(yè)之前從未接觸過，如Psim、Matlab、Multisim等等。剛開始的我也是完全沒有思路，Buck變換器是怎樣的工作原理，怎樣測(cè)電壓、測(cè)電流，怎樣使用Matlab進(jìn)行編程，怎樣用Simulink進(jìn)行仿真。依稀記得第一次使用Simulink時(shí)，連基本的元器件的位置，畫法都不知道，什么示波器、脈沖觸發(fā)器等等完全搞不清楚。好在一直沒有放棄，從一開始什么都不懂的狀態(tài)到慢慢構(gòu)建出主電路圖，測(cè)出主電路負(fù)載的電壓、電流波形，漸漸地遇到了很多困難，比如說電流值偏大、電壓偏小、響應(yīng)時(shí)間很慢，后來通過一次次的調(diào)節(jié)參數(shù)，最終盡自己的能力解決了那些問題。此次作業(yè)，我的最大體會(huì)就是，專業(yè)知識(shí)的積累是很重要的，在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該學(xué)會(huì)總結(jié)，學(xué)會(huì)積累，學(xué)會(huì)把學(xué)科之間聯(lián)系起來，形成一套較為完整的學(xué)科體系。同時(shí)，在實(shí)踐過程中，我們會(huì)遇到很多問題，在問題前不應(yīng)該退縮，停滯不前，而應(yīng)該通過自己一次次的嘗試去解決問題，遇到不懂的問題要虛心請(qǐng)教。最后，我想說的