基于PI控制方式的5A開關(guān)電源的PSIM仿真

1、基于PI控制方式的5A開關(guān)電源的PSIM仿真1、 緒論隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展對電源的要求也不斷的提高，開環(huán)的電源應(yīng)該說早就不能滿足要求，無論是在輸出參數(shù)的精度還是抗干擾能力方面都比不上閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了使某個控制對象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個負反饋。粗略的講，只要使用一個高增益的反相放大器，就可以達到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實際系統(tǒng)而言，對于負載的突變、輸入電壓的突升或突降、高頻干擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠穩(wěn)、準、快地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復(fù)雜了。要同時解決穩(wěn)、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)計出合理的控制器，用控制器來改造控

2、制對象的特性。常用的控制器有比例積分（PI）、比例微分（PD）、比例-積分-微分（PID）等三種類型。本文將通過PSIM用實例來研究PI控制器的調(diào)節(jié)作用。2、 BUCK總電路設(shè)計Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負載電流的要求，設(shè)計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路。2.1技術(shù)指標輸入直流電壓(VIN)：12V輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：5A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。2.2主電路參數(shù)計算Buck變換器

3、主電路如圖（1）所示，其中Rc為電容的等效電阻ESR。圖（1）(1)濾波電容參數(shù)計算 輸出紋波電壓只與電容C的大小有關(guān)及Rc有關(guān)： （1）將，帶入得，電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，而且ESR隨著電容的容量和耐壓變化很大，但是C與Rc的乘積趨于常數(shù)，約為。本例中取為則：C=1500F。(2)濾波電感參數(shù)計算 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通與截止時變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式（2）、（3）所示： （2） （3）假設(shè)二極管的通態(tài)壓降，電感中的電阻壓降，開關(guān)管的導(dǎo)通壓降。又因為 （4）所以由式（2）、（3）、（4）聯(lián)立可得，并將此值回代式(2)，可得L=29.86uH（此處取30uH）。（3） 負載電阻計算 2.

4、3用Psim軟件參數(shù)掃描法計算當(dāng)L=10uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓、電流紋波如圖（2）所示。圖（2）當(dāng)L=30uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓、電流紋波如圖（3）所示。圖（3）當(dāng)L=45uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓、電流紋波如圖（4）所示。圖（4） 采用Psim的參數(shù)掃描功能，由圖可以看出，當(dāng)L=10uH時調(diào)節(jié)時間短但,當(dāng)L=30uH時調(diào)節(jié)時間較短且,當(dāng)L=45uH時調(diào)節(jié)時間較長。綜合考慮選取L=30uH,這與理論結(jié)果一致。3、 補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計3.1原始系統(tǒng)的設(shè)計采用小信號模型分析方法得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： 假設(shè)PWM鋸齒波幅值為Vm=1.5V，采樣電阻R

5、x=3.5kohm，Ry=1.5kohm。采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： 根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖(5)所示，MATLAB的程序如下： num=0.000180 2.4;den=0.000000045 0.00003 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);圖（5） 如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 40.5度，穿越頻率為1.48kHz,所以該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好。需要加入補償網(wǎng)絡(luò)使其增大穿越頻率和相位裕度， 增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。3.2補償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計算采用如圖（6）所示的PI補償網(wǎng)絡(luò)。 PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P）、積分(I)環(huán)節(jié)經(jīng)過線性組

6、合構(gòu)成控制量。稱為PI調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器由于引入了積分環(huán)節(jié)（I）所以在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)輸入和負載變化迅速時，此環(huán)節(jié)基本沒有作用，但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過足夠長的時間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài)。圖（6）采樣電壓為1.5V則取采樣電阻R6、R7分別為3.5K和1.5K。如圖所示我采用的是PSIM自帶的PI調(diào)節(jié)器，查用戶手冊得到其傳遞函數(shù)為：則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：設(shè)穿越頻率為，則系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為：其中，振蕩阻尼系數(shù) 為了增加系統(tǒng)的快速性，需要提高穿越頻率，一般穿越頻率以小于1/5較為恰當(dāng)。本次取=15khz，則穿越頻率。將數(shù)據(jù)代入得 相位裕度一般相位裕度為則 取,將K取不同的值在MATLAB上仿真

7、得到k=20時較為理想。則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖，程序如下： num=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g)圖（7）則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：通過matlab繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：num=0.000180 2.4;den=0.000000045 0.00003 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=0.00018 2.4;den=0.000000045 0.0000

8、3 1;f=tf(num,den);num1=40e-5 20;den1=2e-5 0;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)總系統(tǒng)伯德圖如下圖：由圖可以看出矯正后的系統(tǒng)相位裕度，穿越頻率為14.7kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。4、 負載突加突卸4.1滿載運行滿載運行的電路圖如圖（6）所示，仿真結(jié)果如圖（8）所示。圖（8）4.2突加突卸80%負載計算參數(shù)：負載突加突卸電路圖如圖（9）圖（9）仿真結(jié)果如圖（10）所示圖（10）5、 與雙零點雙積點的比較雙零點雙積點的電路圖如圖（

9、11）所示：圖（11）仿真結(jié)果如圖（12）所示圖（12）負載突加突卸電路圖如圖(13)所示圖（13）仿真結(jié)果如圖（14）所示：圖（14）由PI調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果和雙零點雙積點調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果不難看出如下結(jié)論：（1）PI調(diào)節(jié)的超調(diào)量比雙零點雙積點調(diào)節(jié)方式要大（2）PI調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)時間比雙零點雙積點調(diào)節(jié)方式要小，快速性好（3）PI調(diào)節(jié)的抗擾動能力比雙零點雙積點調(diào)節(jié)方式要差，且PI擾動恢復(fù)時間較長6、 小結(jié)參考文獻1張衛(wèi)平等.開關(guān)變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版社,2006.01.2萬山明,吳芳.開關(guān)電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設(shè)計J. 電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.3楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.03.4張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計M.北京：電子工業(yè)出版社，1999:176184.5王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社