基于PID控制方式的8A开关电源Psim

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1、..基于PID控制方式的8A开关电源Psim仿真研究学院：电气与光电学院专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：时间：2016年04月04日word教育资料..1、绪论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

2、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

3、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)：8A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)

4、：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。word教育资料..图1Buck变换器的主电路2.2Buck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：（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。本例中取为由式(1)可得Rc=31.25mΩ，C=2400μF。(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：（2）（3）假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL

5、=0.1V，开关管的导通压降VON=0.5V。又因为（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=15.4μH。2.3用Psim软件参数扫描法计算当L=10uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图2所示。word教育资料..图2当L=16uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图3所示。word教育资料..图3当L=20uH时，输出电压和电流以及输出电压纹波如图4所示。图4采用Psim的参数扫描功能，有图可得，当L=16uH时，输出电流IIN=4A，输出电压U=5V。输出电压纹波Vrr=50mV，所以选择

6、L=15.4uH，理论分析和计算机仿真结果是一致的。word教育资料..2.4原始系统的设计(1)设计电压采样网络。在设计开关调节系统时，为消除稳态误差，在低频段，尤其在直流频率点，开环传递函数的幅值要远大于1，即在直流频率点系统为深度负反馈系统。对于深度负反馈系统，参考电压与输出电压之比等于电压采样网络的传递函数，即（5）(2)绘制原始系统的Bode图。假设电路工作于电流连续模式(CCM)，忽略电容等效串联电阻（ESR）的影响，加在PWM的锯齿波信号峰峰值为Vm=1.5V，Rx=3KHz，Ry=1.3KHz，采用小信号模型分析，给出Buck变换器传递函

7、数为：（6）式（6）具有双重极点，对应的控制对象是双重极点型控制对象。交流小信号模型中电路参数的计算如下：占空比直流增益，双重极点频率品质因数，其中，，根据上述计算结果可得到开环传递函数为：（7）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=2;den1=[0.0000000370.0000251];figure(1);[mag,phase,w]=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)word教育资料..图5原始回路的Bode图从图5中看出穿越频率为fc=1.43kHz，相位裕度ψm=

8、50，从表面上看，系统是稳定的，但是如果系统中的参数发生变化，系统可能会变得不稳