基于PID控制方式5A开关电源PSIM仿真研究.docxVIP

基于PID控制方式的5A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：1 引言电源是组成各种电子设备的最基本部分，每个电子设备均会要求有一个稳定可靠的直流电源来供给设备的各种信号处理电路的直流偏置，以期达到各信号处理电路能稳定可靠的工作。 目前，开关电源变换器以它的高效率、小体积、重量轻等特点，已用来作为电脑、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、轻型化、集成化作出了很大的贡献。在开关电源中，变换器占据着重要地位，其中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，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。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2.1 Buck主电路设计主电路如图1所示图1 Buck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)：5A；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。2.3 Buck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： （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psim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 输出电压波形当，电感电流和输出电压的波形分别如下:图3 电感波形图4 输出电压波形当，电感电流和输出电压的波形分别如下:图3 电感波形图6 输出电压波形经过PSIM仿真可得图4电感电流波形及图5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-5 1]);den=[3.69e-8 2.5e-5 1];g=tf(num,den);margin(g)图7 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：41.8° 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。3.2 PID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55°，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：