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1、-基于PI控制方式的6A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：. z.-绪论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*个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反响。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以到达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、快地做出适宜的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，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缓慢；相反如果加快控制
2、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控制器提高了系统的类型，从而有效地改善了系统的稳态误差，但稳定性会有所下降。PD控制器可以预测作用误差，使修正作用提前发生，从而有助于增强系统的稳定性。PID控制器保持了PI控制器改善系统稳定性能的优点，同时多提供一个负实数零点，使得在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。1. 基于PI控制方式的Buck电路的综合设计Buck变
3、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。2.1技术指标输入直流电压(VIN)：10V输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：6A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。2.2Buck主电路的参数设计 Buck变换器主电路如图1所示，其中Rc为电容的等效电阻ESR。 图1(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： 1 电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着
4、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。本例中取为由式(1)可得Rc=0.042，C=1786F。(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： 2 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。又因为 4所以由式2、3、4联立可得TON=5.6S，并将此值回代式(2)，可得L=21H。2.3用Psim软件参数扫描法计算当L=10uH时，输出电压和电流以及输出电压的纹波如图2.1、2.2所示。 图2.1图2.2 当L=21uH时，输出电压和电流以及输出电压的纹波如图3.1、
5、3.2所示。 图3.1 图3.2当L=30uH时，输出电压和电流以及输出电压的纹波如图4.1、4.2所示。图4.1 图4.2 采用Psim的参数扫描功能，由图可得，当L=21uH时，输出电流I=6A，输出电压U=5V。输出电压纹波Vrr =50mV，电感电流脉动小于所以选择L=21uH，理论分析和计算机仿真结果是一致的。2.4原始系统的设计采用小信号模型分析方法得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为：假设PWM锯齿波幅值为Vm=1.5V，采样电阻R1=3.5k，Ry=1.5k。采样网络的传递函数为： 根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图5所示，MATLAB的程序如下：num=0.0
6、00150 2.0;den=0.0000000375 0.0000253 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0); 图5 如图所得，该系统相位裕度为41.4度，穿越频率为1.53khz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要参加补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度，使其快速性和稳定性增加。2.5补偿网络的设计采用如图6所示的PI补偿网络。 PI环节是将偏差的比例P、积分(I)环节经过线性组合构成控制量。称为PI调节器。这种调节器由于引入了积分环节I所以在调节过程中，当输入和负载变化迅速时，此环节根本没有作用，但由于积分环节的引入在经过足够长的时间可以将系统调节
7、到无差状态。 图6PI补偿网络传递函数为：其中 ，。系统总的传递函数为：设穿越频率为，则系统的对数幅频特性为：其中，振荡阻尼系数为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率，一般穿越频率以小于1/5较为恰当。本次取=15khz，则穿越频率。将数据代入相位裕度一般相位裕度为：则 取,k=20.则PI传递函数为：绘制PI传递函数伯德图如图7所示，程序如下：num=0.00042 20;den=0.000021,0;g=tf(num,den);margin(g); 图7通过matlab绘制系统伯德图如图8所示，程序如下：num=0.000150 2.0;den=0.0000000375 0.0000253
8、 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=conv(den,den1);margin(num2,den2)；图8由图可得系统的相位裕度为54.6度，穿越频率为14.
9、6khz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。总的传递函数为：2.6参数计算及电路仿真一、80%的负载突加突卸电路参数计算：1满载运行：电路如图9所示，仿真结果如图10、11所示。 图9 图10 图112突加突卸80%负载：电路如图12所示。仿真结果如图13、14所示。 图12 图13 图14突加80%负载电压有0.2v的波动，恢复时间为0.15ms，对负载的扰动PI调节具有一定的调节能力，恢复时间较短。二、电源扰动电源扰动20%，电压变化围812V.电路如图15所示，电压仿真结果如图16所示，电压变化如图17所示。 图15 图16 图17当电源出现20%的扰动时，电压变化缺乏0.1v，系统对电
10、源的扰动具有良好的抗干扰能力。小结 四个多星期的开关电源仿真研究，使我了解了Buck变换器根本构造及工作原理，掌握了电路器件选择和参数的计算，并且学会使用PSIM仿真软件对所设计的开关电源进展仿真。在此过程中复习了自控所学的知识，对闭环控制有了更直观的了解，同时也意识到自己学的知识还不够扎实，当真正运用于实际问题的时候就出现了困难，理论与实际相结合是非常重要的。 平时能真正动手去做的事情还是比拟少的，大多是理论知识的学习，拥有这次时机去对开关电源进展仿真研究，让我深刻的认识到要真正掌握知识就要学会如何熟练地运用它。平时上课，我们不能只注重课本上的知识的吸收，更要运用于实际，学好本专业，也有利于我们将来的工作。这次学习学到的不仅仅是开关电源的仿真，还让我接触使用了matlab ，相信对以后的学习研究也有帮助。参考文献1占松主编 开关电源技术教程 机械工业，20212王兆安，黄俊主编 电力电子技术 机械工业，20003黄忠霖，周向明主编控制系统MATLAB计算及仿真实训国防工业4丽兰主编 自动控制原理 电子工业，2006. z.
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