基于PID控制方式的9A开关电源Multisim

1基于PID控制方式的9A开关电源Multisim仿真研究学院：电光学院专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：2目录1.引言............................................................................................................................................................................32.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计...........................................................................................................32.1设计指标.............................................................................................................................................................32.2Buck主电路的参数设计....................................................................................................................................42.3用Multisim软件参数扫描法计算....................................................................................................................53．PID补偿网络设计...................................................................................................................................................83.1主电路直流增益计算.........................................................................................................................................83.2补偿网络的设计：控制方式为PID..................................................................................................................93.3变换器传递函数及波特图...............................................................................................................................114.Buck变换器的负载突加突卸仿真........................................................................................................................124.1总电路图的设计如图.......................................................................................................................................124.2突加突卸80%负载............................................................................................................................................145.小结........................................................................................................................................................................15参考文献......................................................................................................................................................................1531.引言开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。2.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计Buck变换器最常用的电力变换器，工程上常用的正激、半桥、全桥及推挽等均属于Buck族。现以Buck变换器为例，根据不同负载电流的要求，设计功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。2.1设计指标输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IIN)：9A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。42.2Buck主电路的参数设计(1)滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容C的大小有关及Rc有关：m78.279*2.0502.0NrrLrrCIViVR（1）电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但是C与Rc的乘积趋于常数，约为F*80~50。本例中取为F*75F270027.78mF75RcRcCC(2)滤波电感参数计算当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2）、（3）所示：ONLONLOINTiLVVVV（2）OFFLDLOTiLVVV（3）假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管的导通压降VON=0.5V。又因为sONOFFfTT1（4）所以由式（2）、（3）、（4）联立可得TON=5.6μS，并将此值回代式(2)，可得L=13.69μH。图1Buck变换器的主电路主电路5实际取14μH.2.3用Multisim软件参数扫描法计算当L=14uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图2所示。6当L=8uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图7当L=18uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图所示。83．PID补偿网络设计3.1主电路直流增益计算现假设PWM锯齿波幅值Vm为1.5V采样网络传递函数.305.51VVH(s)0ref负载电阻值56.095IVRN0L品质因数78.714270056.0LCRQL0直流增益3.51115.30Vm1VinsHG0u）（双重极点频率：Hz02.819107.210144.1321LC21f360p即rad45.514302.8194.132f20p0p故：）（sG0245.5143s45.51438.77s113）（=2s00000038.00s000250.0013根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图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)9如图所得，该系统相位裕度4.92°，穿越频率1.63e+03HZ,所以该传递函数稳定性和快速性均不好，需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度，使其快速性和稳定性增加。3.2补偿网络的设计：控制方式为PID.补偿网络电路图10其传递函数为：1s1s1KsGLzcPs））（（）（，其中:312RRRK,11ZCR1,22LCR1,13131CRRRRP由于穿越频率cf小于sfs，所以设为开关频率的101，倒置零点的频率Lf为穿越频率的201，即：kHz10kHz100101f101fsckHz.50kHz10201f101fcL设相位裕度为52°，则补偿网络的零点频率为：kHz4.4352sin152sin110sin1sin1ffmmzz补偿网络的极点频率为：kHz04.2952sin152sin110sin-1sin1ffmmcpPID网络直流增益为：10.1729.043.44310.819010ff0G1ffK2pz02p0c）（）（）（krad1.6214.434.132f2zzkrad6.41824.0294.132f2pp4krad1.3.504.132f2LL令F1C1，可得：72.46R1，.226R3，58.897R2，F53.0C2故：22Lzcs0000548.00s)53694s10.17)(0.0000463s1(s0000548.00s1403ss000463.00110.711s1s110.71sG）（）（））（（）（Ps根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图所示，MATLAB的程序如下：num1=conv([0.00004631],[17.1053694]);den1=[0.0000054810];figure(1);11[mag,phase,w]=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)3.3变换器传递函数及波特图补偿后的变换器传递函数G(s)=，所以其波特图是控制器与补偿网络的波特图的叠加。即)s0000548.00s(s00000038.00s000250.001)3140s(0.000792s17.103sGsGsG22c0）（）（）（）