基于PID控制方式9A开关电源Psim仿真研究
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基于PD控制方式的9A开关电源MATLAB仿真研究0 绪论Buck 变换器最常用的变换器,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。
为了使其具抗干扰能力,输出电流达到所需的等级,减小其电压纹波,现设计校正网络使其闭环,提高系统的能力。
1 设计要求技术指标:输入直流电压(V IN ):12V ; 输出电压(V O ):5V ; 输出电流(I N ):9A ; 输出电压纹波(V rr ):50mV ; 基准电压(V ref ):1.5V ; 开关频率(f s ):100kHz.设计主电路以及校正网络,使满足以上要求。
2 主电路参数计算主电路如图 12.1 电容参数计算输出电压纹波只与电容C 和电容等效电阻C R 有关Nrr L rr C I Vi V R 2.0=∆=通常C R 并未直接给出,但C R C 趋于常数,约为F *Ω-μ8050,此处取F C R C *Ω=μ75图1 Buck 电路可得: Ω=m R C 8.27 取Ω=m R C 28F C μ2689= 取F C μ2700=2.2 电感参数计算由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∆=++∆=---OFF LD L O ON L ON L O INT i L V V V T i L V V V V 假设:V V D 5.0= V V L 1.0= V V ON 5.0= 其中L 中串联电阻Ω==01.0NLL I V R 可得: s T ON μ781.4=H L μ59.16=由matlab 仿真,得图2,可知当取H L μ17=时,电感电流在8A-9.8A 之间脉动,符合N L I i 2.0≤∆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)(0s GLCs R L s sCR V s H V s G C IN M 201)1()(1)(+++=假设:PWM 锯齿波幅值V V M 5.1=图2 电感电流采样电阻Ω=k R C 3.11;Ω=k R C 32 则采样网络传递函数211)(C C C R R R s H +=可得1506.3859.4419.248.1)(20+-+-+-=s e s e s e s G 极点频率Hz LC f p 87.742210==π零点频率Hz CR f C z 3.2122210==π 原始函数增益为:4.2)0(0≈G相位裕度:40.3° 穿越频率:1.47e3Hz根据要求相位裕度应达到50°-55°穿越频率提升到s s f f 51101-(即10kHz-20kHz ) 均不满足,因此需提高其相位裕度,穿越频率。
基于PI控制方式的9A开关电源Psim仿真研究学院:电光学院专业:电气工程及其自动化班级:姓名:学号:一、引言Buck变换器最常用的变换器,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。
这次的课程设计,根据不同的负载电流、控制方式、仿真软件,每个人可以从中学到很多。
二、实验目的(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理;(2) 掌握电路器件选择和参数的计算;(3)学会使用psim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真;(4)学会使用psim仿真软件对控制环节的仿真技术;(5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。
三、技术指标):10V输入直流电压(VIN输出电压V:5VO:9A输出电流IN:50mV 输出电压纹波Vrr基准电压V:1.5Vref:100KHZ开关频率fs四、主电路的功率设计(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:Nrr L rr C I Vi V R 2.0=∆=(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F Ω*80~50μ。
本例中取为F Ω*75μ。
由式(1)可得Rc=27.78m Ω,C=2707μF 。
(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:ONLON L O IN T i LV V V V ∆=--- (2) OFFLD L O T i LV V V ∆=++ (3)假设二极管的通态压降VD=0.5V,电感中的电阻压降VL=0.1V,开关管的导通压降VON=0.5V。
基于PID控制方式9A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:13电卓姓名:唐修亮学号:13020425绪论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。
目前,开关电源以高效率、小体积、重量轻、安全可靠等特点,以用来作为电脑、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,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
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。
PI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。
开关电源模糊控制PID的设计和MATLAB仿真研究
刘文军;罗玉峰
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2006(022)028
【摘要】本文提出了一种开关电源模糊控制PID的的设计和MATLAB仿真方法.仿真结果表明:具有模糊控制的PID动态响应快、超调量小、负载变化引起输出电压的变化小.
【总页数】3页(P29-30,65)
【作者】刘文军;罗玉峰
【作者单位】330029,南昌市南昌大学机电工程学院;330099,南昌市南昌工程学院计算机系;330029,南昌市南昌大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP302
【相关文献】
1.基于模糊控制的可调直流开关电源设计与研究 [J], 郭鹏;赵鑫;徐周
2.一种简化PID模糊控制器的研究与设计 [J], 雷春雨;王直
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4.开关电源模糊控制PID的设计和MATLAB仿真研究 [J], 刘文军;罗玉峰
5.基于PID控制的Boost型开关电源MATLAB仿真研究 [J], 韩冰;李继岚;周昊因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于模糊自整定 PID 的 EPS 控制系统研究马书香;周先飞;杨会伟【摘要】根据电动助力转向系统的工作原理、控制模型、助力特性及控制策略,利用Matlab软件中simulink模块搭建基于模糊自整定PID控制的目标电流跟踪控制仿真模型,然后通过分析仿真结果得出模糊自整定PID控制能较好的满足EPS系统助力、操纵稳定、响应快的特性要求。
对EPS控制系统研究具有一定的参考性。
%According to the working principle, the control model, the assist characteristic of the electric power steering system and the control strategy, a target current control simulation model was built using the Simu-link module of Matlab software based on fuzzy self-tuning PID control.The simulation results show that fuzzy self tuning PID control can better meet the characteristics requirements of the EPS system power, handling stabil-ity and fast response.【期刊名称】《佳木斯大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P561-564)【关键词】电动助力转向系统;模糊自整定PID;仿真【作者】马书香;周先飞;杨会伟【作者单位】芜湖职业技术学院信息工程学院,安徽芜湖241001;芜湖职业技术学院信息工程学院,安徽芜湖241001;芜湖职业技术学院信息工程学院,安徽芜湖241001【正文语种】中文【中图分类】U462.30 引言电动助力转向系统(Electric Power Steering System,简称EPS)相比机械转向系统增加了直流电动机、减速机构、电子控制单元、传感器等.当汽车发生转向时,能够根据汽车转向时的不同工况由电子控制单元控制电动机提供最佳的转向助力,达到转向轻便性、操纵稳定性、安全性的目的[1].改进转向系统性能是目前电动助力转向技术的主要发展方向之一,而良好的转向系统性能需要有良好的控制策略.本文采用模糊自整定PID 控制方法对EPS 系统进行控制研究,通过建模及仿真分析该控制方法的有效性.1 电动助力转向系统的工作原理EPS 系统结构如图1,当驾驶员转动方向盘时,ECU 控制单元根据车速传感器和转矩传感器测得的车速信号、方向盘输入力矩信号及事先设置好的助力特性和控制策略进行一系列处理后,控制助力电流的大小及电动机的转动方向.电动机输出合适转矩经转向机构使转向轮偏转一定的角度,从而实现助力控制.2 EPS 模型分析2.1 机械转向系模型EPS 机械转向系统主要由方向盘、转向柱、齿轮齿条、弹簧及阻尼部件等所组成.理想状况下,经对各部件受力分析,得出以下方程[2]:图1 EPS 系统结构图图2 EPS 系统驱动电机simulink 模型转向盘和上端转向柱:下转向柱:齿条:式中,θc 为方向盘转角;Jc 为方向盘转动惯量;Bc 为上转向柱的阻尼系数;Kc 为上转向柱扭转刚度;Td 为方向盘输入力矩;Ts 为电动机电磁转矩;θe为下转向柱转角;Je 为下转向柱转动惯量;Be 为下转向柱的阻尼系数;Ke 为下转向柱的扭转刚度;θm为助力电机转角;Km 为助力电机转动惯量;Bm 为助力电机黏滞摩擦系数;rp 为小齿轮半径;Mr 为齿条质量;Br 为齿条阻尼系数;Kr 为齿条刚度;Fδ 为齿条端作用力;A 为转向器端至转向轮的力臂传动比;θSW 为转向轮转角;JSW 为转向轮绕主销的转动惯量;BSW 为转向轮绕主销的阻尼系数;KSW 为转向轮绕主销的转动刚度;Mz 为转向轮回正力矩;齿条位移量xr;G 为电动机输出转矩至车轮的传动比. 2.2 电动机模型直流无刷永磁电动机模型如下:由电路的克希霍夫定律知:转向轮:由动机运行的动力学机械特性知:式中:ua 为电动机电枢电压,ia 为电枢电流,R为电枢电阻,L 为电枢电感,e 为反电动势,TL 表示负载转矩,Jm 表示电动机转子转动惯量.根据永磁无刷直流电机的特性有:式中,kt 为电磁转矩系数,e 为反电动势,ke 为反电动势系数,n 为电动机转速,ω 为电动机角速度.对于具体的电动机来说ki 及ke 为常数.根据以上电动机的方程式在Matlab 软件的simulink 模块中建立电机模型如图2,模型中输入为电动机的电枢电压和横拉杆的位移,输出为电动机的电流.3 EPS 助力特性助力特性是指助力大小随方向盘输入力矩、车速、路况、前轮气压、前轴轴重等参数的变化而变化的规律,决定控制器对电动机电流的大小的控制.考虑到建模的难度及实用性,文中仅用车速、方向盘输入力矩及助力力矩三个量表示助力特性.通过实验不断改变数据、调整系统参数以满足整车使用要求,由此得出速度、方向盘输入力矩与助力之间的实验数据,如表1,然后对相邻实验数据进行线性插值或双线性插值计算当前助力.如计算方向盘输入力矩为2.3N·m,速度为30km/h 时的助力可由<20,40 >、<20,62.5 >、<40,14.58>、<40,23.34 >四组有序对进行双线性插值获得,值为36.968N.表1 不同速度、方向盘输入力矩下的助力(单位:N)V/Td/(N·m)(km/h)1 1.5 2 2.53 3.54 4.5 5 5.56 20 10 22.5 40 62.5 90 122.5 160 202.5 250 302.5 360 40 3.33 8.02 14.58 24.34 36.4 52.97 72.8 97.82 128.3 165.6 208.6 50 0.2751.135 3.11 6.795 12.86 22.06 35.2 53.16 76.865 107.3 145.54 模糊自整定PID 控制及仿真EPS 系统的性能受各类输入信号、路况、车轮气压、方向盘输入加速度、运动零件之间机械摩擦、轮胎与地面间作用的非线性等很多因素影响,仅仅使用PID 控制很难使系统性能达到最优.而模糊PID 控制是采用模糊控制器与PID 控制器结合的方式对控制对象进行控制分析,用此控制法减小ECU 控制单元确定的目标电流与电流传感器测得的电动机的电枢电流之间的误差,既有PID 控制精度高的特点又有模糊控制灵活、适应性强的特点.表2 模糊控制规则表e ec NB NM NS ZO PS PM PB NB PB/NB/PS PB/NB/PS PM/NB/ZO PM/NM/ZO PS/NM/ZO PS/ZO/PB ZO/ZO/PB NM PB/NB/PS PB/NB/NB PM/NM/NM PM/NS/ZO PS/NS/ZO PS/ZO/PB NM/ZO/PM NS PM/NM/NB PM/NS/NB PS/NS/NM PS/NS/NS ZO/ZO/ZO ZO/ZO/PSNM/PS/PM ZO PS/NM/NB PM/NS/NM PS/NS/NM PS/ZO/NS NS/PS/ZO NM/PS/PS NM/PS/PS PS PS/NM/NB PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/PM/ZO NM/PS/ZO NM/PS/PB NB/PM/PS PM ZO/ZO/NM ZO/ZO/NS NS/ZO/NS NM/PM/NS NM/PM/NS NB/PB/PS NB/PM/PS PB ZO/ZO/PS NS/ZO/NS NS/PS/ZO NM/PM/NS NM/PM/NS NB/PB/PS NB/PB/PB图3 基于模糊自整定PID 的目标电流跟踪控制仿真图图4 模糊自整定PID 控制和PID 控制仿真结果4.1 模糊自整定PID 控制器建立结合Matlab 实现模糊控制的理论知识以及被控对象特性,建立模糊逻辑控制器.其中输入为目标电流e 及目标电流的变化率ec,输出为PID 控制的比例Kp、积分Ki、微分Kd 系数.输入输出量的模糊集合论域均设为{-3,-2,-1,0,1,2,3},并将输入输出变量相应的语言值的模糊等级均分为7 个级别,分别为为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB).输入输出变量的隶属函数均采用三角形隶属函数.仿真中使用根据有关EPS 系统控制的有关资料及专家的经验知识得出的模糊控制规则表,如表2[3].根据控制规则表在模糊规则编辑器中导入模糊控制规则,建立FIS 系统文件,将其保存为名为FEPS.fis 的文件,作为整个被控系统的仿真基础.4.2 simulink 仿真与实现结合机械转向系机械模型、助力电动机模型、ECU 控制模型、助力特性、模糊自整定PID 控制器模型及PWM 控制原理等,建立EPS 系统基于模糊自整定PID 控制的目标电流跟踪控制仿真图,如图3.整个仿真模型的输入信号为方向盘输入力矩及车速,其中方向盘输入力矩采用在实际应用中很容易生成的阶跃信号模块,车速采用In1 模块.仿真运行时,输入信号经助力特性模型后输出助力,增益运算后得目标电流.目标电流与反馈的电枢电流的误差信号作为控制器的输入信号,经控制器及PWM 控制处理后输出的电压信号与反电动势的误差信号经电动机模块功能处理后输出电动机电枢电流并反馈.仿真设计完成后,双击模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller)导入FIS 系统文件.运行后模糊自整定PID 控制和PID 控制仿真结果如图4.由图4 知系统是稳定的,模糊自整定PID 控制达到稳态的时间是0.458s,超调1.5%,较PID 控制超调量小,达到稳态的调节时间短.5 总结利用模糊自整定PID 跟踪控制电动机目标电流,能够动态的调整PID 控制器的P,I,D 系数,解决多种非线性因素影响的问题,较PID 控制能更好地满足EPS 系统助力、操纵稳定、响应快的特性要求.但是模糊规则制定的好坏依赖于专家知识及经验,因此关于EPS 控制系统还有很大的研究空间.参考文献:[1]陈拴永.基于电流跟踪控制的转向柱型电动助力转向研究[D].山东:燕山大学,2011.[2]胡康博.电动助力转向系统的建模与仿真研究[D].重庆:重庆大学,2010,4.[3]臧怀泉,刘敏.EPS 参数的优化设计及仿真[J].辽宁工程技术大学学报,2008,27:76-78.。
基于psim的电源技术课程仿真教学研究1. 引言在当今高科技发展快速的时代,电源技术作为电气工程领域的重要分支,对于现代工程技术发展具有深远的影响。
而在电源技术课程的教学中,如何结合仿真技术进行教学研究,已成为当前教育领域的热点问题之一。
本文将从基于psim的电源技术课程仿真教学研究展开详细探讨,旨在为读者提供深入、全面的了解,并对其进行个人观点和理解的共享。
2. 依据内容、主题或概念进行全面评估我们需要了解psim是什么、电源技术课程教学的特点和需求,以及如何结合psim进行教学研究。
psim是一种专业的电力电子仿真软件,具有直观的界面和强大的仿真能力。
在电源技术课程中,学生往往需要通过理论知识和实际操作相结合的方式才能更好地理解和掌握相关知识。
基于psim的仿真教学具有很大的优势,可以有效地提高学生的学习兴趣和学习效果。
3. 逐步探讨主题3.1 psim在电源技术课程中的应用基于psim的电源技术课程仿真教学最大的优势在于其直观的仿真效果和强大的教学功能。
教师可以借助psim软件,结合具体的实例,直观地展示电源技术的原理和运行过程,使抽象的理论知识变得具体而生动。
学生可以通过观察psim仿真结果,更好地理解电源技术的相关知识,培养学生的实践能力,增强他们的创新思维。
3.2 电源技术课程教学的深入与广度基于psim的电源技术课程仿真教学旨在帮助学生深入理解电源技术的原理和应用,提高学生的创新思维和实践能力。
在教学过程中,教师不仅应注重理论知识的讲解,还应引导学生通过psim软件进行仿真实验,加深对电源技术的认识,并结合实际案例进行广度的拓展。
只有将理论知识与实际应用结合起来,学生才能真正掌握所学的知识。
4. 总结与回顾基于psim的电源技术课程仿真教学研究,不仅有助于提高学生的学习兴趣和学习效果,还有助于培养学生的创新思维和实践能力。
在教学实践中,教师应注重引导学生运用psim软件进行仿真实验,并结合实际案例加深对电源技术知识的理解。
基于模糊PID控制开关电源的研究的开题报告一、选题背景随着计算机、通讯、信息技术的快速发展,电子设备越来越多地应用于现代社会,而电源作为电子设备的生命线,也日益成为人们关注的焦点。
在使用电源时,如何保证电源的参数稳定、质量可靠,成为电子设备工作者亟待解决的问题之一。
目前,开关电源已经成为工业、军事、民用等各个领域的主要电源形式,因其具有效率高、重量轻、体积小、功率密度高、线性范围大等诸多优点,受到了广泛的欢迎。
开关电源作为一种复杂的控制系统,其控制策略也必须适应各种不同的工作条件和动态过程。
在开关电源控制中,模糊PID控制逐渐成为一种新型的控制方法,它利用模糊逻辑的优良特性,解决了PID控制器在非线性、参数变化等条件下控制的不稳定、精度不高等问题。
因此,本研究将基于模糊PID控制方法,对开关电源进行深入研究,以提高其控制精度和稳定性。
二、研究目的和意义本研究旨在研究基于模糊PID控制方法的开关电源控制策略,通过对开关电源的输出电压、输出电流等参数的控制,提高开关电源的控制精度和稳定性,减小电源系统的波动和干扰,提高系统的可靠性和稳定性。
同时,本研究还可以为开关电源的控制和优化提供新的思路和方法,为电子设备的稳定运行提供有效保障,具有重要的实际应用价值。
三、研究内容和方案1.研究基于模糊PID控制方法的开关电源控制策略。
2.开展开关电源参数测试和控制系统设计,构建基于模糊PID控制的开关电源控制系统。
3.对开关电源进行控制精度测试,并对控制系统进行优化和改进。
4.开展实验研究,并对实验结果进行分析和总结。
四、预期成果本研究预计实现以下成果:1.通过基于模糊PID控制方法的开关电源控制策略,提高开关电源的控制精度和稳定性。
2.构建基于模糊PID控制的开关电源控制系统,并对控制系统进行优化和改进,提高系统的可靠性和稳定性。
3.开展实验研究,证明本研究取得的控制结果具有较高的精度和稳定性,为电子设备的稳定运行提供有效保障。
基于PID控制方式的9A开关电源Multisim仿真研究学院:电光学院专业:电气工程及其自动化班级::学号:目录1.引言 (3)2.基于PID控制方式的Buck电路的综合设计 (3)2.1设计指标 (3)2.2 Buck主电路的参数设计 (4)2.3用Multisim软件参数扫描法计算 (5)3.PID补偿网络设计 (8)3.1主电路直流增益计算 (8)3.2补偿网络的设计:控制方式为PID (9)3.3变换器传递函数及波特图 (11)4. Buck变换器的负载突加突卸仿真 (12)4.1总电路图的设计如图 (12)4.2突加突卸80%负载 (14)5. 小结 (15)参考文献 (15)1.引言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。
基于pi控制方式的a开关电源multisim仿
真研究大学论文(1)
本论文通过对基于PI控制方式的A开关电源的Multisim仿真研究,探讨了该控制方式在电源设计中的作用,并分析了电源设计中的问题及其解决方法。
一、介绍
A开关电源是一种高效、快速响应的DC-DC转换器,广泛应用于各种应用领域,尤其是电子设备中。
本论文的研究对象是基于PI控制方式的A开关电源,在这种控制方式下,开关管的开关频率可以调节,从而实现电源输出端电压的稳定。
二、PI控制方式
PI控制方式是一种常用的闭环调节控制方法,它由比例(P)和积分(I)两个部分组成。
PI控制器可以对电源输出电压进行精确控制,并且具有响应速度快、稳定性高等优点。
三、A开关电源的Multisim仿真
Multisim是一款常用的电路仿真软件,可以帮助电源设计师设计和验证电路的功能及性能。
本论文使用Multisim对基于PI控制方式的A 开关电源进行了仿真,通过调节开关频率和PI控制器的参数等,调整电源输出端的电压,达到稳定的状态。
四、电源设计中的问题及其解决方法
在电源设计中,会遇到一些问题,如:开关频率不稳定、电源输出电压波动等。
为了解决这些问题,本论文提出了以下解决方法:
1.调整开关频率,使其在一定范围内稳定,从而保证电源输出端电压
的稳定性。
2.调整PI控制器的比例和积分参数,使其更加精准地控制电源输出端电压。
3.添加稳压管等器件,以保护电源免受短路等故障的影响。
五、结论
本文通过对基于PI控制方式的A开关电源的Multisim仿真研究,探讨了该控制方式在电源设计中的作用,并提出了解决方案,可以为电源设计工程师提供参考。
基于PID控制方式9A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:13电卓姓名:唐修亮学号: 13020425绪论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。
目前,开关电源以高效率、小体积、重量轻、安全可靠等特点,以用来作为电脑、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,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
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。
PI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。
本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。
一.设计要求及设计背景1.设计要求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;掌握小信号建模的方法,建立Buck变换器原始回路增益函数;采用Matlab绘制控制对象的Bode图;根据控制对象的Bode图,分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。
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.设计背景Buck变换器最常用的变换器,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。
为了使其具抗干扰能力,输出电流达到所需的等级,减小其电压纹波,现设计校正网络使其闭环,提高系统的能力。
二.Buck变换器主电路设计1技术指标:输入直流电压(V):12V;IN):5V;输出电压(VO):9A;输出电流(IN):50mV;输出电压纹波(Vrr):1.5V;基准电压(Vref):100kHz;开关频率(fs2主电路及参数计算2.1主电路图1 buck主电路2.2滤波电容计算输出纹波电压只与电容容量及ESR有关:0.2rr rrCl NV VRi I==∆(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C与RC的乘积趋于常数,约为50~80μ·ΩF。
本次设计中取为75μ·ΩF,由式(1)可得:RC=27.78mΩ,C=2700μF。
1.2.3滤波电感的计算/IN O L ON L ONV V V V L i T---=∆(2)/L D L OFFV V V L i T++=∆(3)1sOFF ONsT T Tf=+=(4)图2 开关管开通及关断时的等效电路由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∆=++∆=---OFFLDLOONLONLOINTiLVVVTiLVVVV假设:VVD5.0=VVL1.0=VVON5.0=其中L中串联电阻Ω==01.0NLL IVR得sTONμ67.4=HLμ60.16=当L=16.60uH时,输出电流为:当L=16.60uH时,输出电压为:输出电压和电流以及输出电压纹波如下图所示:当L=16.60μH时,电感电流在9.6~10.8之间波动,符合△iL ≤0.2IN=1.8A的设计要求,并且理论分析与仿真结果一致。
三.补偿网络设计图7 Buck 变换器控制图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)(0s G 则02(1)1()()1IN C L M V sCR G s H s V s L R s LC+=++ (4) 假设:PWM 锯齿波幅值V V M 5.1= 再假设采样电阻R x =3K Ω,R y =1.3K Ω 则采样网络传递函数()3.03.133.1≈+=+=yx y R R R s H,,0(),, 2.2,2.3IN C L G s V C R L R 中的参数均可从前面的参数计算中获得630626650582112(12700102810)()0.316.6101.5116.6102700100.562.4(17.5610)()1 2.9610 4.4810s G s s s s G s s s --------⨯+⨯⨯⨯∴=⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=+⨯+⨯(5)当S=0时,原始函数增益为:4.2)0(0≈G 所以极点频率20667.52102216.610270010p f HzLCππ--===⨯⨯⨯⨯根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图8所示,MATLAB 的程序如下:num=[1.8*10^(-4) 2.4];den=[4.48*10^(-8) 29.6*10^(-6) 1]; H=tf(num,den); bode(H);[mag,phase,w]=bode(H);[gm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w); [pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w); margin(H); display(pm); display(gm);图8 原始回路传递函数波特图从图8中可以得出起初的相位裕度:40.5°穿越频率:1.49e3Hz根据要求相位裕度应达到50°-55°穿越频率提升到ssff51101-(即10kHz-20kHz)均不满足,因此需提高其相位裕度,穿越频率。
3.2补偿网络的设计原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。
改进的思路是在远低于穿越频率fc处,给补偿网络增加一个零点fZ,开环传递函数就会产生足够的超前相移,保证系统有足够的裕量;在大于零点频率的附近增加一个极点fP,并且为了克服稳态误差大的缺点,可以加入倒置零点fL,为此可以采用如图9所示的PID补偿网络。
图9 PID补偿网络根据电路写出的PID补偿网络的传递函数为:(1)(1)()(1)LzC cmpssG s Gsωωω++=+(6)式中:11,,,f iz ipcm z L piz ip iz i f f iz ip iR R RGR R R C R C R R Cωωω+=-===+为了提高穿越频率,设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率cf是开关频率sf的十分之一,即:1010scff KHz==(7)在这里,假设选择的倒置零点的频率为穿越频率的二十分之一,则有:50020cLff Hz==(8)假设预期的相位裕度53γ︒=,则PID补偿网络的参数计算值如下:零点频率10 3.3553zf f KHz ===极点频率 1029.8953p f f KHz ===零点角频率 22 3.3521.05z z f KHz ωππ==⨯= 极点角频率 2229.89187.8p p f KHz ωππ==⨯= 倒置零点角频率22500 3.14L L f KHzωππ==⨯=所以直流增益 223201010124.677.5210 2.4c cm p f G f ⎛⎫⎛⎫⨯==⨯= ⎪⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭根据上面计算数据,得出补偿网络的传递函数为:()333536232462 3.14101121.051024.671187.810(1 4.7510)( 3.1410)24.67 5.32101.171028.377.75105.3210C s s G s ss s s s s s s s----⎛⎫⨯⎛⎫++ ⎪⎪⨯⎝⎭⎝⎭=⨯+⨯+⨯+⨯=⨯+⨯⨯++⨯=⨯+(9)根据PID 补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图10所示,MATLAB 的程序如下:num=[1.17*10^(-3) 28.37 77500]; den=[5.32*10^(-6) 1]; H=tf(num,den); bode(H);[mag,phase,w]=bode(H);[gm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w); [pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w); margin(H);display(pm); display(gm);图 10 PID 补偿网络的波特图所以最后补偿后的整个系统的传递函数:()()()()()5530582628332414483622.4(17.5610)24.67(1 4.7510)( 3.1410)1 2.9610 4.4810 5.32102.4(8.8510 3.311034.237.7510)23.8310 4.51034.9210C s s s G s G s G s s s s s s s s s s s s----------⨯+⨯⨯⨯+⨯+⨯==+⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯++⨯=⨯+⨯+⨯+ (10)根据上面的传递函数,可以绘制出加PID 补偿网络后的传递函数波特图如图11所示,MATLAB 的程序如下:num1=2.4;den1=[4.48*10^(-8) 29.6*10^(-6) 1];g1=tf(num1,den1);num2=conv([4.75*10^(-5) 1],[24.67 24.67*3.14*1000]);den2=[5.32*10^(-6) 1];g2=tf(num2,den2);bode(g1,'+',g2,':',g1*g2,'-');以上程序是看波特图的曲线。
num=conv(2.4*24.67*[4.75*10^(-5) 1],[1 3140]);den=[23.83*10^(-14) 4.5*10^(-8) 34.92*10^(-6) 1 0];H=tf(num,den);bode(H);[mag,phase,w]=bode(H);[gm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w);[pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);这个程序是看波特图的相位裕度。