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1、基于PI控制方式的6A開(kāi)關(guān)電源PSIM仿真研究學(xué)院:電氣與光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí):緒論開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見(jiàn)的控制對(duì)象,包括單極點(diǎn)型控制對(duì)象、雙重點(diǎn)型控制對(duì)象等。為了使某個(gè)控制對(duì)象的輸出電壓保持恒定,需要引入一個(gè)負(fù)反饋。粗略的講,只要使用一個(gè)高增益的反相放大器,就可以達(dá)到使控制對(duì)象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)而言,對(duì)于負(fù)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(zhǔn)、快地做出合適的調(diào)節(jié),這樣就使問(wèn)題變得復(fù)雜了。例如,已知主電路的時(shí)間常數(shù)較大、響應(yīng)速度相對(duì)緩慢,如果控制的響應(yīng)速度也緩慢,使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)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(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以,開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求,這就需要一定的技巧,設(shè)計(jì)出合理的控制器,用控制器來(lái)改造控制對(duì)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(lèi)型。PI控制器提高了系統(tǒng)的類(lèi)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(huì)有所下降。PD控制器可以預(yù)測(cè)作用誤差,使修正作用提前發(fā)生,從而有助于增強(qiáng)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(diǎn),同時(shí)多提供一個(gè)負(fù)實(shí)數(shù)零點(diǎn),使得在提高系統(tǒng)動(dòng)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(jì)Buc

3、k變換器最常用的變換器,工程上常用的拓?fù)淙缯ぁ霕?、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(fù)載電流的要求,設(shè)計(jì)主功率電路,并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。2.1技術(shù)指標(biāo)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(zhǔn)電壓(Vref):1.5V;開(kāi)關(guān)頻率(fs):100kHz。2.2 Buck主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)  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(jì)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(chǎng)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(jì)算 當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與截止時(shí)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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降VON=0.5V。又因?yàn)?(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(jì)算 當(dāng)L=10uH時(shí),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(dāng)L=21uH時(shí),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(dāng)L=30uH時(shí),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(dāng)L=21uH時(shí),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(dòng)小于所以選擇L=21uH,理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。2.4原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用小信號(hào)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(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用如圖6所示的PI補(bǔ)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(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量。稱(chēng)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(guò)程中,當(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時(shí),此環(huán)節(jié)基本沒(méi)有作用,但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無(wú)差狀態(tài)。 圖6PI補(bǔ)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(duì)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(guò)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??偟膫鬟f函數(shù)為:2.6參數(shù)計(jì)算及電路仿真一、80%的負(fù)載突加突卸電路參數(shù)計(jì)算:(1)滿(mǎn)載運(yùn)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(fù)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(fù)載電壓有0.2v的波動(dòng),恢復(fù)時(shí)間為0.15ms,對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)PI調(diào)節(jié)具有一定的調(diào)節(jié)能力,恢復(fù)時(shí)間較短。二、電源擾動(dòng)電源擾動(dòng)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(dāng)電源出現(xiàn)20%的擾動(dòng)時(shí),電壓變化不足0.1v,系統(tǒng)對(duì)電源的擾動(dòng)具有良好的抗干擾能力。小結(jié) 四個(gè)多星期的開(kāi)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(jì)算,并且學(xué)會(huì)使用PSIM仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行仿真。在此過(guò)程中復(fù)習(xí)了自控所學(xué)的知識(shí),對(duì)閉環(huán)控制有了更直觀(guān)的了解,同時(shí)也意識(shí)到自己學(xué)的知識(shí)還不夠扎實(shí),當(dāng)真正運(yùn)用于實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候就出現(xiàn)了困難,理論與實(shí)際相結(jié)合是非常重要的。 平時(shí)能真正動(dòng)手去做的事情還是比較少的,大多是理論知識(shí)的學(xué)習(xí),擁有這次機(jī)會(huì)去對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行仿真研究,讓我深刻的認(rèn)識(shí)到要真正掌握知識(shí)就要學(xué)會(huì)如何熟練地運(yùn)用它。平時(shí)上課,我們不能只注重課本上的知識(shí)的吸收,更要運(yùn)用于實(shí)際,學(xué)好本專(zhuān)業(yè),也有利于我們將來(lái)的工作。這次學(xué)習(xí)學(xué)到的不僅僅是開(kāi)關(guān)電源

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