PID控制方式的3A开关电源MATLAB.docx
- 文档编号:9820254
- 上传时间:2023-05-21
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:269.21KB
PID控制方式的3A开关电源MATLAB.docx
《PID控制方式的3A开关电源MATLAB.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PID控制方式的3A开关电源MATLAB.docx(15页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
PID控制方式的3A开关电源MATLAB
基于PID控制方式的3A开关电源MATLAB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:
一绪论
Buck变换器是最常用的变换器,工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族,现以Buck变换器为例,依据不同负载电流的要求,设计主功率电路,并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。
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。
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。
本次设计就采用PID控制方式。
二设计过程
各项技术指标:
输入直流电压(VIN):
10;
输出电压(VO):
5V;
输出电流(IN):
3A;
输出电压纹波(Vrr):
50mV;
基准电压(Vref):
1.5V;
开关频率(fs):
100kHz。
设计任务:
1.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;
2.掌握小信号建模的方法,建立Buck变换器原始回路增益函数;
3.采用Matlab绘制控制对象的Bode图;
4.补偿网络设计,根据控制对象的Bode图,分析所需设计的补偿网络特性,采用PID调节方式。
5.采用Matlab绘制补偿器和变换器的Bode图;
6.综合仿真,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,分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。
2.1主电路设计:
滤波电感和电容参数设计:
输出纹波电压只与电容C的大小及Rc有关:
(1)
电容C与Rc的乘积趋于常数,约为50~80µΩ*F。
本次课程设计中取为75µΩ*F。
由式
(1)可得Rc=83.3mΩ,C=900.36uF。
负载电阻
。
假设二极管D的通态压降
=0.5V,电感L中的电阻压降
=0.1V,开关管S的导通压降
=0.5V。
根据基尔霍夫电压方程,可知开关管S闭合与导通状态输入电压
和输出电压
满足如下关系:
(2)
(3)
(4)
可得导通时间
=5.6µs,电感串联电阻
=01.67Ω,电感值L=41.049µH。
假设:
其中L中串联电阻
可得:
由matlab仿真,得图2,可知当取
时,电感电流在2.8A-3.2A之间脉动,符合
的要求
电感电流纹波:
iL电流
2.2补偿网络设计
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:
(1)
假设PWM锯齿波幅值Vm为1.5V,采样电阻R1=3KΩ,Rb=1.3KΩ,则
(2)
所以:
(3)
用matlab画出的G0(s)的伯德图:
MATLAB的程序为:
num=[150e-6 2]
den=[3.7e-8 2.5e-5 1];
g=tf(num,den);
margin(g);
>>
伯德图为:
此时穿越频率为9.67kHz,相位裕度为41.6°。
PID补偿网络设计:
要求穿越频率为10-20kHz,相位裕度为50°-55°。
K=
(1)
(2)
假设:
期望的相位裕度
;
穿越频率
为了提高系统穿越频率,则需要在其幅值下降前抬高它的下降速度为-20db/s,才能提高其穿越频率。
因此令:
补偿网络零点频率
补偿网络极点频率
则:
零点角频率
极点角频率
倒置零点角频率
(3)
用matlab画出伯德图:
程序为:
num=[1.15e-326.617.2e4];
den=[5.03e-610];
g=tf(num,den);
margin(g);
>
>>
加入PID补偿网络后的电路图:
直流增益
(1)
用matlab画出伯德图:
程序为:
num=[2.3e-353.221.44e5];
den=[1.86e-133.7e-83e-510];
g=tf(num,den);
margin(g);
2.3负载的突加突卸
突加突卸80%负载:
20%
=0.6A
电路图如图所示,
仿真波形图如图所示:
IL电流
输出电压电流
2.4电源扰动
输入电压为10V,加入20%的电压扰动,即此时输入电压为9.6V-14.4V,加入的输入电压波形如图所示:
电路图为:
输出的电压电流波形图
iL电流
3心得体会
通过本次开关电源作业设计,使我对开关电源有了更深刻的理解和认识。
我对BUCK电路的有了进一步的学习,在设计的过程中,又再次复习了电力电子和自动控制原理,加深了以前的学习。
同时,学会了MATLAB及相关软件的使用,这对以后的学习将会有很大的帮助。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程。
我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
4参考文献
1张建生主编《现代仪器电源原理技术设计》北京:
科学出版社,200533
2陈丽兰主编《自动控制原理》电子工业出版社2006
3杨旭等.《开关电源技术》[M].北京:
机械工业出版社,2004.03.
4张占松,张心益.开关电源技术教程:
机械工业出版社2012.8
5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,2008,30(5):
62-64
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PID 控制 方式 开关电源 MATLAB