基于PID控制方式的4A开关电源-multisim仿真

12345总分基于PID控制方式的4A开关电源Multisim仿真研究学院:xxxxx专业：xxxxxxxxxx班级：xxxxxx姓名：xxx学号：xxxxxx时间：xxxxxx引言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，开关电源向高频化、小型化发展。在开关电源中，变换器占据着重要地位。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。本文就是对Buck变换器的主电路、控制方式以及补偿电路进行设计研究仿真，得出波特图和负载的电压电流仿真（控制方式为PID，负载电流为4A，仿真软件为Multisim）。1．主电路设计1.1主电路参数输入直流电压Vin=15V输出直流电压V0=5V输出电流IN=4A输出电压纹波Vrr=50mV基准电压Vref=1.5V开关频率fs=100kHz。图1Buck主电路1.2主电路参数计算①滤波电容参数设计如下：输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，即.5m624.2050.20VrrVrrRcIiNL由于电解电容生产厂家很少给出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50~80F*，故F100062.5mF.562RcRcCC②滤波电感参数设计如下：开关闭合和导通的基尔霍夫电压方程如下：图2等效电路onLonL0inTiLVVVV（1）OFFLDL0TiLVVV（2）ms1001TTOFFon（3）假设二极管的通态压降0.5VVD，电感中的电阻压降为.1V0VL，开关管的导通压降.5V0Von，根据等式（1）、（2）、（3）可得：H.843L，s3.73Ton，故取H74L。③下图是用Multisim软件对电感电流进行参数扫描，设计要求电感电流波动在0.2IN即0.8A以内波动。图3电感电流仿真电路图图4电感电流仿真波形图如图，当L=47uH时，电感电流在之间脉动，符合AINL8.02.0i的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。2．PID补偿网络设计图5Buck补偿网络2.1主电路直流增益计算①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为：2p00p00u0)s(Qs11GsG）（（4）现假设PWM锯齿波幅值Vm为1.5V采样网络传递函数.305.51VVH(s)0ref负载电阻值5.2145IVRN0L品质因数5.774710001.25LCRQL0直流增益3.51115.30Vm1VinsHG0u）（双重极点频率：Hz0.57341010474.1321LC21f360p即rad6.646120.57344.132f20p0p故：）（sG026.64612s6.646127.75s113）（=2s00000047.00s000376.0013利用Multisim软件根据原回路增益函数画出其波特图，如下：图6控制对象Bode图②Rx、Ry计算ref0yxyVVRRR（5）mA2~1RRVyx0）（（6）已知V0=5V，Vref=15V，由式（5）、（6）可得：k3Rx，.3k1Ry2.2补偿网络的设计：控制方式为PID图7补偿网络电路图其传递函数为：1s1s1KsGLzcPs））（（）（，其中:312RRRK,11ZCR1,22LCR1,13131CRRRRP由于穿越频率cf小于sfs，所以设为开关频率的101，倒置零点的频率Lf为穿越频率的201，即：kHz10kHz100101f101fsckHz.50kHz10201f101fcL设相位裕度为52°，则补偿网络的零点频率为：kHz4.4352sin152sin110sin1sin1ffmmzz补偿网络的极点频率为：kHz04.2952sin152sin110sin-1sin1ffmmcpPID网络直流增益为：7.22129.043.44310.734510ff0G1ffK2pz02p0c）（）（）（krad1.6214.434.132f2zzkrad6.41824.0294.132f2pp4krad1.3.504.132f2LL令F1C1，可得：72.46R1，.226R3，6.41116R2，F92.0C2故：22Lzcs0000548.00s)3140s)(0.000985s21.27(s0000548.00s1403ss000463.00121.271s1s1KsG）（）（））（（）（Ps其Bode图如下：图8补偿网络Bode图2.3变换器传递函数及波特图补偿后的变换器传递函数G(s)=，所以其波特图是控制器与补偿网络的波特图的叠加。即)s0000548.00s(s00000047.00s000376.001)3140s(0.000985s21.273sGsGsG22c0）（）（）（）（）（三个传递函数的Bode图如下：注：图中星形线表示控制对象特性，虚线表示补偿网络特性，实线表示变换器特性图9Buck变换器Bode图从图9中可以看出Buck电路补偿后相位裕度为50°，符合相位裕度应在50°~55°的设计要求。3.Buck变换器的负载突加突卸仿真图10负载突加突卸电路图11电压波形图注：上图为负载RL=1.25时的电压波形，下图为负载20%扰动时的电压电流波形小结本文基于对Buck变换器主电路的参数设计，即滤波电容，滤波电感的设计，以及补偿网络的设计，了解了Buck变换器的开环传输特性，也掌握了PID补偿网络在恒压源、不同电流值控制下的传输特性。通过对Buck变换器的主电路的电感电流波形仿真，测试了参数选择的正确性，更进一步的了解到了Buck变换器的特性；在补偿电路的开环传递函数的Bode图仿真中，学会了脉冲宽度调节器PMW的简单设计，也对变换器的特性以及补偿网络的特性有了更直观的认识。总而言之，这次设计让我很好了掌握了PID控制方式下的开关电源的设计原理及控制要求，也让我增加了对Multisim、Matlab等仿真软件的运用的熟练程度，对开关电源的实际应用有了更多的了解。参考文献[1]张卫平.开关变换器的建模与控制[M].中国电力出版社.北京：2005[2]张建生.现代仪器电源—原理、技术、设计[M].科学出版社.北京：2005[3]李金伴.开关电源技术[M].化学工业出版社.北京：2006[4]徐德鸿.电力电子系统建模与控制[M].机械工业出版社.北京：2005[5]张晋格.控制系统CAD—基于MATLAB语言[M].机械工业出版社.北京：2004