基于PID控制方式的9A開關(guān)電源Multisim

1、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： 20目錄1.引言32.基于PID控制方式的Buck電路的綜合設(shè)計3 2.1設(shè)計指標(biāo)3 2.2 Buck主電路的參數(shù)設(shè)計4 2.3用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算53PID補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計8 3.1主電路直流增益計算8 3.2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計：控制方式為PID.9 3.3變換器傳遞函數(shù)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(shè)計如圖12 4.2突加突卸80%負載145. 小結(jié)15參考文獻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

2、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(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、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，

3、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.基于PID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

4、例，根據(jù)不同負載電流的要求，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1 Buck變換器的主電路主電路2.2 Buck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

5、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=5.6S，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(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。2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。3PID補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計3.1主電路直流增益計

6、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=0.000000038 0.0000250 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(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

7、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(0.0000463 1,17.10 53694);den1=0.00000548 1 0;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)=，所以其波特圖是控制器與補償網(wǎng)絡(luò)的

8、波特圖的疊加。即num1=3;den1=0.000000038 0.00003250 1;g1=tf(num1,den1);num2=conv(0.0000463 1,17.10 53694);den2=0.00000548 1 0; 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m=49°。 比起T(s)穿越

9、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。4. Buck變換器的負載突加突卸仿真 4.1總電路圖的設(shè)計如圖4.2突加突卸80%負載計算參數(shù)：5. 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)用上有了較好的認識；熟練運用Multisim，Matlab

10、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，1999:176184.5王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2002:258263.6周志敏.周紀海.開關(guān)電源實用技術(shù)與應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社，2003:1517.7B.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 w