基于PI控制方式的2A開關(guān)電源PSIM仿真研究

1、基于PI控制方式的2A開關(guān)電源PSIM仿真研究基于PI控制方式的2A開關(guān)電源PSIM仿真研究 學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 一、緒論開關(guān)電源是近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。開關(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

2、擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠地做出合適的調(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)速度，則又會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以，開關(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）等三種類型，本文將通過(guò)PSIM用實(shí)例來(lái)研究PI控制器的調(diào)節(jié)作用。PD控制器可以提供超前的相位，對(duì)于提高系統(tǒng)的相位裕量、減少調(diào)節(jié)時(shí)間等十

3、分有利，但不利于改善系統(tǒng)的控制精度；PI控制器能夠保證系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)引起相位滯后，是以犧牲系統(tǒng)的快速性為代價(jià)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、 目的（1） 了解BUCK變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；（2） 掌握各參數(shù)的計(jì)算；（3） 會(huì)用PSIM軟件畫原理圖；（4） 學(xué)會(huì)使用PSIM對(duì)各個(gè)電路圖進(jìn)行仿真。三、Buck電路的總設(shè)計(jì)3.1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)：2A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。3.2Buck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。

4、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）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=600F。(2)濾波電感參數(shù)計(jì)算 當(dāng)開關(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D的通態(tài)壓降，電感L中的電阻壓降，開關(guān)管S導(dǎo)通壓降，其中L中串聯(lián)電阻。 又因?yàn)?： （4）所以由式（2）、（3）、（4）聯(lián)立可得,并將此值代入式(2)，可得L=61.6H（實(shí)際取62H）。占空比: 導(dǎo)通角： =D2=負(fù)載電阻： 3.3用Psim軟件參數(shù)

5、掃描法計(jì)算當(dāng)L=50uH時(shí)，輸出電壓和電流以及輸出電壓和電感電流的紋波如圖2.1、2.2、2.3所示。圖2.1圖 2.2圖 2.3圖 3.1當(dāng)L=61.6uH時(shí)，輸出電壓和電流以及輸出電壓和電感電流的紋波如圖3.1、3.2、3.3所示。圖 3.2圖 3.3當(dāng)L=70uH時(shí)，輸出電壓和電流以及輸出電壓和電感電流的紋波如圖4.1、4.2、4.3所示。圖 4.1圖 4.2圖 4.3 采用Psim的參數(shù)掃描功能，由圖可得，當(dāng)L=61.6uH時(shí)，輸出電流I=2A，輸出電壓。輸出電壓紋波Vrr =50mV，電感電流脈動(dòng)小于所以選擇L=61.6uH，理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。3.4原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用

6、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，采樣電阻。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=0.000150 2; den=0.00000003696 0.00002464 1; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0);圖5 如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度為41.5度，穿越頻率為1.54kz,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。3.5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

7、環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P）、積分(I)環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)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6 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(cè)得到其傳遞函數(shù)：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(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)代入得 相位裕度一般相

8、位裕度為：則 取,將K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20時(shí)較為理想。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=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(guò)matlab繪制系統(tǒng)伯德圖如圖8所示，程序如下：num=0.000150 2;den=0.00000003696 0.00002464 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

9、onnum=0.00015 2;den=0.00000003696 0.00002464 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)圖8由圖可得系統(tǒng)的相位裕度為54.1度，穿越頻率為14.9kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。四、負(fù)載突加突卸4.1 滿載運(yùn)行滿載運(yùn)行的電路圖及仿真結(jié)果如圖9所示。 圖9 4.2 突加突卸80%負(fù)載 參數(shù)計(jì)算： 負(fù)載突加突卸電路圖及仿真圖如圖10所示： 圖10由仿真圖可以看

10、出系統(tǒng)具有較好的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。4.3 電源擾動(dòng)1220%=2.4，即要求電源在8到12之間擾動(dòng)。因此采用方波電壓源代替擾動(dòng)的電壓源電源電壓波形及仿真如圖11所示： 圖11由仿真圖的擾動(dòng)波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動(dòng)的能力，符合設(shè)計(jì)要求。五、個(gè)人總結(jié) 剛開始用這個(gè)軟件時(shí)，自己一片茫然，都不知道要干些什么，這個(gè)軟件該如何使用，之后就問(wèn)學(xué)姐學(xué)長(zhǎng)他們，開始慢慢會(huì)用了，就把原理圖給畫了，那時(shí)候覺(jué)得自己特別有成就感，因?yàn)槎际峭ㄟ^(guò)自己的努力學(xué)會(huì)的，特別的開心，那么之后的問(wèn)題就來(lái)了，電力電子也是剛學(xué)的，自控掌握的一點(diǎn)都不好，對(duì)于做這個(gè)報(bào)告困難更大了，一直都用一句話勉勵(lì)自己，只要努力了，就不會(huì)失望的，放

11、棄是最失敗的，經(jīng)過(guò)這幾周的研究與練習(xí)，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)的開關(guān)電源進(jìn)行仿真，感覺(jué)自己的專業(yè)課知識(shí)非常薄弱，在其中遇到了好多問(wèn)題，理論與實(shí)際相結(jié)合還是相當(dāng)重要的。經(jīng)過(guò)弄這個(gè)報(bào)告，自己學(xué)會(huì)了好多以前不會(huì)的知識(shí)，對(duì)PSIM也了解了好多，知道怎么畫圖，怎么仿真，覺(jué)得收獲很大。六、參考文獻(xiàn)【1】王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:258263. 【2】張占松主編 開關(guān)電源技術(shù)教程 機(jī)械工業(yè)出版社，2012 【3】黃忠霖，周向明主編 控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn) 國(guó)防工業(yè)出版社【4】萬(wàn)山明,吳芳