PI控制方式的6A開關(guān)電源PSIM

1、基于PI控制方式的6A開關(guān)電源PSIM仿真研究學院：電氣與光電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級：緒論開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象，包括單極點型控制對象、雙重點型控制對象等。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。例如，已知主電路的時間常數(shù)較大、響應(yīng)速度相對緩慢，如果控制的響應(yīng)速度也緩慢，使得整個系統(tǒng)對外界變量的響應(yīng)變得很遲緩；相反如果加快控制器的響應(yīng)

2、速度，則又會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以，開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計要同時解決穩(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。PI控制器提高了系統(tǒng)的類型，從而有效地改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性會有所下降。PD控制器可以預(yù)測作用誤差，使修正作用提前發(fā)生，從而有助于增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制器保持了PI控制器改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點，同時多提供一個負實數(shù)零點，使得在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性。1. 基于PI控制方式的Buck電路的綜合設(shè)計Buc

3、k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)：10V輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：6A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。2.2 Buck主電路的參數(shù)設(shè)計  Buck變換器主電路如圖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） 電

4、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。本例中取為由式(1)可得Rc=0.042，C=1786F。(2)濾波電感參數(shù)計算 當開關(guān)管導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VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管的導通壓降VON=0.5V。又因為 （4）所以由式（2）、（3）、（4）聯(lián)立可得TON=5.6S，并將此值回代式(2)，可得L=21H。2.3用Psim軟件參數(shù)掃描法計算 當L=10uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓的紋波如圖2.1、2.2所示。 圖

5、2.1 圖2.2 當L=21uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓的紋波如圖3.1、3.2所示。 圖3.1 圖3.2 當L=30uH時，輸出電壓和電流以及輸出電壓的紋波如圖4.1、4.2所示。 圖4.1 圖4.2 采用Psim的參數(shù)掃描功能，由圖可得，當L=21uH時，輸出電流I=6A，輸出電壓U=5V。輸出電壓紋波Vrr =50mV，電感電流脈動小于所以選擇L=21uH，理論分析和計算機仿真結(jié)果是一致的。2.4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R1=3.5k，Ry=1.5k。采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： 根

6、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=0.000150 2.0; den=0.0000000375 0.0000253 1; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0); 圖5 如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 為41.4度，穿越頻率為1.53khz,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， 使其快速性和穩(wěn)定性增加。2.5補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計采用如圖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

7、調(diào)節(jié)過程中，當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6PI補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為：其中 ，。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。本次取=15khz，則穿越頻率。將數(shù)據(jù)代入相位裕度一般相位裕度為：則 取,k=20.則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖如圖7所示，程序如下： num=0.00042 20; den=0.000021,0; g=tf(num,den); margin(g); 圖7通過matlab繪制系

8、統(tǒng)伯德圖如圖8所示，程序如下：num=0.000150 2.0;den=0.0000000375 0.0000253 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=0.00042 20;den=0.000021 0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=0.000150 2.0;den=0.0000000375 0.0000253 1;f=tf(num,den);num1=0.00042 20;den1=0.000021 0;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=con

9、v(den,den1);margin(num2,den2)；圖8由圖可得系統(tǒng)的相位裕度為54.6度，穿越頻率為14.6khz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。總的傳遞函數(shù)為：2.6參數(shù)計算及電路仿真一、80%的負載突加突卸電路參數(shù)計算：（1）滿載運行：電路如圖9所示，仿真結(jié)果如圖10、11所示。 圖9 圖10 圖11（2）突加突卸80%負載：電路如圖12所示。仿真結(jié)果如圖13、14所示。 圖12 圖13 圖14 突加80%負載電壓有0.2v的波動，恢復(fù)時間為0.15ms，對負載的擾動PI調(diào)節(jié)具有一定的調(diào)節(jié)能力，恢復(fù)時間較短。二、電源擾動電源擾動20%，電壓變化范圍812V.電路如圖15所示，

10、電壓仿真結(jié)果如圖16所示，電壓變化如圖17所示。 圖15 圖16 圖17當電源出現(xiàn)20%的擾動時，電壓變化不足0.1v，系統(tǒng)對電源的擾動具有良好的抗干擾能力。小結(jié) 四個多星期的開關(guān)電源仿真研究，使我了解了Buck變換器基本結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握了電路器件選擇和參數(shù)的計算，并且學會使用PSIM仿真軟件對所設(shè)計的開關(guān)電源進行仿真。在此過程中復(fù)習了自控所學的知識，對閉環(huán)控制有了更直觀的了解，同時也意識到自己學的知識還不夠扎實，當真正運用于實際問題的時候就出現(xiàn)了困難，理論與實際相結(jié)合是非常重要的。 平時能真正動手去做的事情還是比較少的，大多是理論知識的學習，擁有這次機會去對開關(guān)電源進行仿真研究，讓我深刻的認識到要真正掌握知識就要學會如何熟練地運用它。平時上課，我們不能只注重課本上的知識的吸收，更要運用于實際，學好本專業(yè)，也有利于我們將來的工作。這次學習學到的不僅