PID控制方式的5A開關(guān)電源PSIM仿真設(shè)計(jì)研究

...wd......wd......wd...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)備的最基本局部，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，以期到達(dá)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奉獻(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)有輸出電流紋波小，構(gòu)造簡(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，輸出電流到達(dá)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基于PID控制的Buck電路主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算2.1Buck主電路設(shè)計(jì)主電路如圖1所示圖1Buck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。2.3Buck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)下輸入電壓和輸出電壓滿足以下方程:(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)展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50mV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-51]);den=[3.69e-82.5e-51];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)到達(dá)50°--55°，且有開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率應(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。3.2PID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〕參加補(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-326.6172000];den=[5.03e-610];g=tf(num,den);margin(g);圖8PID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-346],[13.14e+3]);den=conv([3.69e-82.5e-51],[5.03e-610]);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];den=[3.69e-82.5e-51];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[1.15e-326.6172000];den=[5.03e-610];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[2];den=[3.69e-82.5e-51];f=tf(num,den);num1=[1.15e-326.6172000];den1=[5.03e-610];g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)；圖10PID補(bǔ)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：還記得第一次教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頂峰，基本無法跨越。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)基本沒有掌握的很好；二是，教師要求我們每個(gè)人使用一種控制方法，使用不同軟件到達(dá)不同的功能，最讓人擔(dān)憂的是那些軟件在這份作業(yè)之前從未接觸過，如Psim、Matlab、Multisim等等。剛開場(chǎng)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)展編程，怎樣用Simulink進(jìn)展仿真。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，從一開場(chǎng)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，比方說電流值偏大、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