PID控制方式的7A開關電源MATLAB

1、基于PID控制方式的7A開關電源MATLAB仿真研究學院：電氣與光電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級：71 引言電源是組成各種電子設備的最基本部分，每個電子設備均會要求有一個穩(wěn)定可靠的直流電源來供給設備的各種信號處理電路的直流偏置，以期達到各信號處理電路能穩(wěn)定可靠的工作。 目前，開關電源變換器以它的高效率、小體積、重量輕等特點，已用來作為電腦、家電、通信設備等現(xiàn)代化用電設備的電源，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。在開關電源中，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，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，其優(yōu)點有輸出電流紋

2、波小，結構簡單，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。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)試要復雜一些。本文主要介紹基于PID控制的Buck電路設計，使其具抗干擾能力，輸出電流達到所需的等級，減小其電壓紋波，最終提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3、2 基于PID控制的Buck電路主電路設計及參數(shù)計算2.1 Buck主電路設計 主電路如圖1所示圖1 Buck變換器主電路2.2 設計要求技術指標：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；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz.設計主電路以及校正網(wǎng)絡，使?jié)M足以上要求。2.3 Buck主電路各參數(shù)計算 （1）濾波電容參數(shù)計算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關： 通常并未直接給出，但趨于常數(shù)，約為，此處取可得：可得： 取 ?。?）濾波電感參數(shù)計算根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可知開關管導通與關斷狀態(tài)下輸

4、入電壓和輸出電壓滿足下列方程: (式1）且有 假設Buck變換器性能要求，假設二極管D的通態(tài)壓降,電感L中的電阻壓降為,開關管S中的導通壓降,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： 導通時間 電感 取 占空比 2.3 采用參數(shù)掃描法，對所設計的主電路進行MATLAB仿真當，電感電流和輸出電壓的波形分別如下:圖2 電感波形圖3 輸出電壓波形經(jīng)過MATLAB仿真可得圖2電感電流波形及圖3輸出電壓波形，可知當,電感電流、輸出電壓足以及輸出電壓紋波為50mV的要求。3 補償網(wǎng)絡設計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)：假設PW

5、M鋸齒波幅值,采樣電阻，由此可得采樣網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為： 原始回路直流增益：對數(shù)增益： 代入原始回路增益函數(shù)可得：解得： （式a) 極點頻率： 零點轉折頻率： 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=3.78e-8 2.54e-5 1;g=tf(num,den);margin(g)圖4 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：41.5° 穿越頻率：根據(jù)要求相位裕度應達到50°-55°，且有開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率應為開關頻率的1/5-1/10之間,即為10-20kHz。可見，原始回路增益

6、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補償網(wǎng)絡設計 PID補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)： （式2.2） 加入補償網(wǎng)絡后，開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率有： -20kHz) 取相位裕度54°，穿越頻率 補償網(wǎng)絡零點頻率: 補償網(wǎng)絡極點頻率: 補償網(wǎng)絡直流增益： 零點角頻率： 極點角頻率： 倒置零點角頻率： 將上述所計算的參數(shù)值代入式2.2，可得補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為： 解得： (式b) 使用MATLAB繪制補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)伯德圖 程序如下： num=1.662e-3 54.83 208992.96; den=3.694e-6 1 0; g=tf(

7、num,den); margin(g);圖5 PID補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)伯德圖 補償后的Buck變換器整個系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 使用MATLAB繪制補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)伯德圖 程序如下： num=conv(3.325e-3 95.04,1 4.398e+3); den=conv(3.78e-8 2.54e-5 1,3.694e-6 1 0); g=tf(num,den); margin(g);圖6 整個系統(tǒng)經(jīng)補償后的伯德圖 由圖6所示系統(tǒng)伯德圖易知： 相位裕度：51.6° 穿越頻率：14.1kHz 因此經(jīng)過校正，系統(tǒng)滿足了要求指標。 PID補償后總的系統(tǒng)伯德圖如下：圖7 PID補償后總的系統(tǒng)伯德

8、圖4 負載滿載運行及突加突卸4.1 負載滿載運行時的電路圖及其波形仿真4.1.1 負載滿載運行時的電路圖圖8 負載滿載運行電路圖4.1.2 負載滿載運行時的仿真圖圖9 負載滿載運行電流、電壓波形圖圖10 負載滿載運行電流、電壓波形局部圖4.2 負載突加突卸80%時的電路圖及其波形仿真4.2.1 負載突加突卸80%運行時的電路圖 圖11 負載突加突卸80%運行時的電路圖4.2.2 負載突加突卸80%運行時的仿真圖圖12 負載突加突卸80%運行時電流、電壓波形圖圖13 負載突加突卸80%運行時電流、電壓局部波形圖在負載突加突卸80%時，有: 解得： 5 電源擾動20%時電路圖及仿真圖 5.1 負載

9、滿載運行時的電路圖及其波形仿真 5.1.1 電源擾動20%運行時的電路圖圖14 電源擾動20%運行時的電路圖 5.1.2 電源擾動20%運行時的仿真圖圖15 電源擾動20%運行時的電流、電壓波形圖圖16 電源擾動20%運行時的電流、電壓局部波形圖6 作業(yè)小結我想談談本次作業(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，大家都一臉茫然，我的本能反應是，這是什么東西啊，我聽都沒聽過，感覺自己做不到。一是覺得自己相關學科很薄弱，沒有形成一套較為完整的知識體系，如電力電子技術、自動控制原理等知識根本沒有掌握的很好；二是，老師要求我們每個人使用一種控制方法，使用不同軟件達到不同的功能，最讓人擔心的

10、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，怎樣測電壓、測電流，怎樣使用Matlab進行編程，怎樣用Simulink進行仿真。依稀記得第一次使用Simulink時，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。后來老師給我推薦了以為大神學長，好在一直沒有放棄，跟學長請教，從一開始什么都不懂的狀態(tài)到慢慢構建出主電路圖，測出主電路負載的電壓、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、響應時間很慢，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)，我的最大體會就是，專業(yè)知識的積累是很重要的，在平時的學習過程中應該學會總結，學會積累，學會把學科之間聯(lián)系起來，形成一套較為完整的學科體系。同時，在實踐過程中，我們會遇到很多問題，在問題前不應該退縮，停滯不前，而應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教。最后，我想說的是，這次作業(yè)真多讓我學到了很多，不止是專業(yè)知識，更重要的是遇到問題不能急躁，要耐下心來