基于PID控制方式9A开关电源Psim仿真研究

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1、基于PID控制方式9A开关电源Psim仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：13电卓姓名：唐修亮学号：1302042516/16绪论开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以高效率、小体积、重量轻、安全可靠等特点，以用来作为电脑、家电、通信设备等现代化用电设备的电源，为世界电子工业产品的小型化、轻

2、型化、集成化作出了很大的贡献，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。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

3、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。PI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

4、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。一.设计要求及设计背景1.设计要求依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真；掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；采用Matlab绘制控制对象的Bode图；根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静

5、态稳压精度和动态响应速度。16/162.设计背景Buck变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。二．Buck变换器主电路设计1技术指标：输入直流电压(VIN)：12V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：9A；输出电压纹波(Vrr)：50mV

6、；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz；2主电路及参数计算2.1主电路图1buck主电路16/162.2滤波电容计算输出纹波电压只与电容容量及ESR有关：（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C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ·ΩF。本次设计中取为75μ·ΩF，由式（1）可得：RC=27.78mΩ，C=2700μF。1.2.3滤波电感的计算（2）（3）（4）图2开关管开通及关断时的等效电路16/16由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满

7、足下列方程假设：其中L中串联电阻得当L=16.60uH时，输出电流为：当L=16.60uH时，输出电压为：16/16输出电压和电流以及输出电压纹波如下图所示：当L=16.60μH时，电感电流在9.6~10.8之间波动，符合△iL≤0.2IN=1.8A的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。16/16三.补偿网络设计图7Buck变换器控制图3.1原始回路增益函数采用小信号模型分析方法可得buck变换器原始回路增益函数则（4）假设：PWM锯齿波幅值再假设采样电阻Rx=3KΩ，Ry=1.3KΩ则采样网络传递函数16

8、/16(5)当S=0时，原始函数增益为：所以极点频率根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图8所示，MATLAB的程序如下：num=[1.8*10^(-4)2.4];den=[4.48*10^(-8)29.6*10^(-6)1];H=tf(num,den);bode(H);[mag,phase,w]=bode(H);[gm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w);[pm,wcg,