PID控制方式的7A开关电源MATLABWord文档下载推荐.docx
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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。
本文主要介绍基于PID控制的Buck电路设计,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,最终提高系统的稳定性。
2基于PID控制的Buck电路主电路设计及参数计算
2.1Buck主电路设计
主电路如图1所示
图1Buck变换器主电路
2.2设计要求
技术指标:
输入直流电压(VIN):
10V;
输出电压(VO):
5V;
输出电流(IN):
7A;
输出电压纹波(Vrr):
50mV;
基准电压(Vref):
1.5V;
开关频率(fs):
100kHz.
设计主电路以及校正网络,使满足以上要求。
2.3Buck主电路各参数计算
(1)滤波电容参数计算
输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关:
通常并未直接给出,但趋于常数,约为,此处取可得:
可得:
取
取
(2)滤波电感参数计算
根据基尔霍夫电压定律,可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压满足下列方程:
(式1)
且有
假设Buck变换器性能要求,假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻值为:
将数据代入式1,可知:
上式/下式可知:
且已知
解得:
导通时间
电感取
占空比
2.3采用参数扫描法,对所设计的主电路进行MATLAB仿真
当,电感电流和输出电压的波形分别如下:
图2电感波形
图3输出电压波形
经过MATLAB仿真可得图2电感电流波形及图3输出电压波形,可知当,电感电流、输出电压足以及输出电压纹波为50mV的要求。
3补偿网络设计
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:
假设PWM锯齿波幅值,采样电阻,,由此可得采样网络传
递函数为:
原始回路直流增益:
对数增益:
代入原始回路增益函数可得:
(式a)
极点频率:
零点转折频率:
使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图
程序如下:
num=conv(2,[7.56e-51]);
den=[3.78e-82.54e-51];
g=tf(num,den);
margin(g)
图4原始回路增益函数伯德图
由图4所示伯德图易看出:
相位裕度:
41.5°
穿越频率:
根据要求相位裕度应达到50°
--55°
,且有开环传递函数的穿越频率应为开关频率的
1/5--1/10之间,即为10-20kHz。
可见,原始回路增益函数既不满足相位裕度的要求,也不满足穿越频率的要求,所以必须提高其相位裕度、穿越频率。
3.2PID补偿网络设计
PID补偿网络的传递函数:
(式2.2)
加入补偿网络后,开环传递函数的穿越频率有:
------20kHz)
取相位裕度54°
,穿越频率
补偿网络零点频率:
补偿网络极点频率:
补偿网络直流增益:
零点角频率:
极点角频率:
倒置零点角频率:
将上述所计算的参数值代入式2.2,可得补偿网络传递函数为:
解得:
(式b)
使用MATLAB绘制补偿网络传递函数伯德图
num=[1.662e-354.83208992.96];
den=[3.694e-610];
g=tf(num,den);
margin(g);
图5PID补偿网络传递函数伯德图
补偿后的Buck变换器整个系统传递函数为:
num=conv([3.325e-395.04],[14.398e+3]);
den=conv([3.78e-82.54e-51],[3.694e-610]);
图6整个系统经补偿后的伯德图
由图6所示系统伯德图易知:
51.6°
14.1kHz
因此经过校正,系统满足了要求指标。
PID补偿后总的系统伯德图如下:
图7PID补偿后总的系统伯德图
4负载满载运行及突加突卸
4.1负载满载运行时的电路图及其波形仿真
4.1.1负载满载运行时的电路图
图8负载满载运行电路图
4.1.2负载满载运行时的仿真图
图9负载满载运行电流、电压波形图
图10负载满载运行电流、电压波形局部图
4.2负载突加突卸80%时的电路图及其波形仿真
4.2.1负载突加突卸80%运行时的电路图
图11负载突加突卸80%运行时的电路图
4.2.2负载突加突卸80%运行时的仿真图
图12负载突加突卸80%运行时电流、电压波形图
图13负载突加突卸80%运行时电流、电压局部波形图
在负载突加突卸80%时,有:
5电源扰动20%时电路图及仿真图
5.1负载满载运行时的电路图及其波形仿真
5.1.1电源扰动20%运行时的电路图
图14电源扰动20%运行时的电路图
5.1.2电源扰动20%运行时的仿真图
图15电源扰动20%运行时的电流、电压波形图
图16电源扰动20%运行时的电流、电压局部波形图
6作业小结
我想谈谈本次作业的感受与收获:
还记得第一次老师跟我们提及这份作业时,大家都一脸茫然,我的本能反应是,这是什么东西啊,我听都没听过,感觉自己做不到。
一是觉得自己相关学科很薄弱,没有形成一套较为完整的知识体系,如电力电子技术、自动控制原理等知识根本没有掌握的很好;
二是,老师要求我们每个人使用一种控制方法,使用不同软件达到不同的功能,最让人担心的是那些软件在这份作业之前从未接触过,如Psim、Matlab、Multisim等等。
刚开始的我也是完全没有思路,Buck变换器是怎样的工作原理,怎样测电压、测电流,怎样使用Matlab进行编程,怎样用Simulink进行仿真。
依稀记得第一次使用Simulink时,连基本的元器件的位置,画法都不知道,什么示波器、脉冲触发器等等完全搞不清楚。
后来老师给我推荐了以为大神学长,好在一直没有放弃,跟学长请教,从一开始什么都不懂的状态到慢慢构建出主电路图,测出主电路负载的电压、电流波形,渐渐地遇到了很多困难,比如说电流值偏大、电压偏小、响应时间很慢,后来通过一次次的调节参数,最终尽自己的能力解决了那些问题。
此次作业,我的最大体会就是,专业知识的积累是很重要的,在平时的学习过程中应该学会总结,学会积累,学会把学科之间联系起来,形成一套较为完整的学科体系。
同时,在实践过程中,我们会遇到很多问题,在问题前不应该退缩,停滞不前,而应该通过自己一次次的尝试去解决问题,遇到不懂的问题要虚心请教。
最后,我想说的是,这次作业真多让我学到了很多,不止是专业知识,更重要的是遇到问题不能急躁,要耐下心来一步一步反复实践,这样才能成功。
参考文献
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2002:
258~263.
[2]许泽刚,李俊生,郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报.2008
[3]陈丽兰.自动控制原理教程(第二版):
电子工业出版社2010.8
[4]张占松,张心益.开关电源技术教程:
机械工业出版社2012
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