基于PI控制方式的2A開關電源PSIM仿真研究

1、基于PI控制方式的2A開關電源PSIM仿真研究基于PI控制方式的2A開關電源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 一、緒論開關電源是近年來應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，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業(yè)設備、醫(yī)療器械、家用電器等領域應用效果顯著。開關調(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

2、擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復雜了。例如，已知主電路的時間常數(shù)較大、響應速度相對緩慢，如果控制的響應速度也緩慢，使得整個系統(tǒng)對外界變量的響應變得很遲緩；相反如果加快控制器的響應速度，則又會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以，開關調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計要同時解決穩(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，本文將通過PSIM用實例來研究PI控制器的調(diào)節(jié)作用。PD控制器可以提供超前的相位，對于提高系統(tǒng)的相位裕量、減少調(diào)節(jié)時間等十

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，但會引起相位滯后，是以犧牲系統(tǒng)的快速性為代價提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、 目的（1） 了解BUCK變換器的基本結構及工作原理；（2） 掌握各參數(shù)的計算；（3） 會用PSIM軟件畫原理圖；（4） 學會使用PSIM對各個電路圖進行仿真。三、Buck電路的總設計3.1技術指標輸入直流電壓(VIN)：10V輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：2A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz。3.2 Buck主電路的參數(shù)設計 Buck變換器主電路如圖1所示，其中

4、Rc為電容的等效電阻。 圖1  (1)濾波電容參數(shù)計算輸出紋波電壓只與電容C的大小有關及Rc有關： （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)計算 當開關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）假設二極管D的通態(tài)壓降，電感L中的電阻壓降，開關管S導通壓降，其中L中串聯(lián)電阻。 又因為 ： （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（實際取62H）。占空比: 導通角： =D&#

5、215;2×=負載電阻： 3.3用Psim軟件參數(shù)掃描法計算當L=50uH時，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L=61.6uH時，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L=70uH時，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L=61.6uH時，輸出電流I=2A，輸出電壓。輸出電壓紋波Vrr =50mV，電感電流脈動小于所以選擇L=61.6uH

6、，理論分析和計算機仿真結果是一致的。3.4原始系統(tǒng)的設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PWM鋸齒波幅值為，采樣電阻。采樣網(wǎng)絡的傳遞函數(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。需要加入補償網(wǎng)絡使其增大穿越頻率和相位裕度， 使其快速性和穩(wěn)定性增

7、加。3.5補償網(wǎng)絡的設計采用如圖6所示的PI補償網(wǎng)絡。 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 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)：則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：設穿越頻率為，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。

8、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

9、;g=tf(num,den);margin(g);hold 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、負載突加突卸4.1 滿載運行滿載運行的電路圖及仿真結果如圖9所示。 圖9 4.2 突加突卸80%負載 參數(shù)計算： 負

10、載突加突卸電路圖及仿真圖如圖10所示： 圖10由仿真圖可以看出系統(tǒng)具有較好的抗負載擾動能力。4.3 電源擾動12×20%=2.4，即要求電源在8到12之間擾動。因此采用方波電壓源代替擾動的電壓源電源電壓波形及仿真如圖11所示： 圖11由仿真圖的擾動波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動的能力，符合設計要求。五、個人總結 剛開始用這個軟件時，自己一片茫然，都不知道要干些什么，這個軟件該如何使用，之后就問學姐學長他們，開始慢慢會用了，就把原理圖給畫了，那時候覺得自己特別有成就感，因為都是通過自己的努力學會的，特別的開心，那么之后的問題就來了，電力電子也是剛學的，自控掌握的一點都不好，對于做

11、這個報告困難更大了，一直都用一句話勉勵自己，只要努力了，就不會失望的，放棄是最失敗的，經(jīng)過這幾周的研究與練習，使我了解了Buck變換器基本結構及工作原理，掌握了電路器件選擇和參數(shù)的計算，并且學會使用PSIM仿真軟件對所設計的開關電源進行仿真，感覺自己的專業(yè)課知識非常薄弱，在其中遇到了好多問題，理論與實際相結合還是相當重要的。經(jīng)過弄這個報告，自己學會了好多以前不會的知識，對PSIM也了解了好多，知道怎么畫圖，怎么仿真，覺得收獲很大。六、參考文獻【1】王兆安，黃俊. 電力電子技術 北京：機械工業(yè)出版社，2002:258263. 【2】張占松主編 開關電源技術教程 機械工業(yè)出版社，2012 【3】黃忠霖，周向明主編 控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真實訓 國防工業(yè)出版社【4】萬山明,吳