基于PI控制方式的1A開關(guān)電源PSIM仿真研究(共15頁)

1、基于(jy)PI控制(kngzh)方式的1A開關(guān)電源PSIM仿真(fn zhn)研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級：* 姓名： * 學(xué)號： * 基于PI控制方式的1A開關(guān)電源PSIM仿真研究 目錄(ml)0 緒論(xln) 2 1 設(shè)計(jì)(shj)要求 2 2 主電路參數(shù)計(jì)算 2 2.1 電容參數(shù)計(jì)算 3 2.2 電感參數(shù)計(jì)算 33 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 4 3.1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 3.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 64 負(fù)載突加突卸 9 4.1滿載運(yùn)行 9 4.2突加突卸80%負(fù)載 11 4.3 電源擾動20% 125 小結(jié) 14 參考文獻(xiàn) 140 緒論(xln)開關(guān)電源(diny

2、un)是近年來應(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。Buck變換器是最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯?、半橋、全橋、推?tu wn)等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)1A負(fù)載電流的要求，設(shè)計(jì)主功率電路。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達(dá)到所需的等級，減小其電壓紋波，現(xiàn)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。1 設(shè)計(jì)要求技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓(VIN)：12V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：1A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1

3、.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz.設(shè)計(jì)主電路以及校正網(wǎng)絡(luò)，使?jié)M足以上要求。2 主電路參數(shù)計(jì)算主電路如圖1圖1 Buck電路2.1 電容參數(shù)(cnsh)計(jì)算輸出(shch)電壓紋波只與電容C和電容(dinrng)等效電阻有關(guān)通常并未直接給出，但趨于常數(shù)，約為，此處取可得： 2.2 電感參數(shù)計(jì)算由基爾霍夫電壓定律可知開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷滿足下列方程假設(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?？傻茫?將代入方程組可解的。 占空比: 導(dǎo)通角：=D2= 負(fù)載電阻： 由matlab仿真(fn zhn)，得圖2，可知當(dāng)取時(shí)，電感(din n)電流在0.9A-1.1A之間

4、脈動(midng)，符合的要求。圖2 電感電流3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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Rx=3.5k，Ry=1.5k。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(ky)得到的波特圖如圖3所示，MATLAB的程序(chngx)如下： num=1.8e-4 2.4; den=4.5e-8 3e-51; g=tf(num,den); margin(g); 波特(b t)圖3如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 40.5度，穿越頻率為1.48kHz,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)

5、償網(wǎng)絡(luò)使其增大穿越頻率和相位裕度，增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。3.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(wnglu)相關(guān)參數(shù)計(jì)算采用(ciyng)如圖4所示的PI補(bǔ)償(bchng)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）所以在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時(shí)，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(shí)間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài)。 PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)圖4 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)為：則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：設(shè)穿越頻率為，則

6、系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為：其中(qzhng)，振蕩阻尼(zn)系數(shù)。 為了增加系統(tǒng)的快速性，需要提高穿越(chun yu)頻率，一般穿越頻率以小于較為恰當(dāng)。本次取=15kHZ，則穿越頻率。將數(shù)據(jù)代得， 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(shí)較為理想。則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖5，程序如下： num=40e-5 20; den=2e-5,0; g=tf(num,den); margin(g) PI傳遞函數(shù)伯德圖5則系統(tǒng)(xtng)總的傳遞函數(shù)為：通過(tnggu)matlab繪制系統(tǒng)(xtng)伯德圖，程序如下：num=0.000180 2.4

7、;den=0.000000045 0.00003 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 onnum=0.00018 2.4;den=0.000000045 0.00003 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)總系統(tǒng)(xtng)伯德圖如下圖6： 總系統(tǒng)

8、(xtng)伯德圖6由圖可以看出矯正(jiozhng)后的系統(tǒng)相位裕度，穿越頻率為14.7kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。4 負(fù)載突加突卸4.1滿載運(yùn)行滿載運(yùn)行的電路圖如圖4所示，仿真結(jié)果如圖7所示。滿載(mnzi)仿真圖74.2突加突卸80%負(fù)載(fzi)計(jì)算(j sun)參數(shù)：負(fù)載(fzi)突加突卸電路圖如圖8負(fù)載突加突卸電路圖8仿真(fn zhn)結(jié)果如圖9所示仿真(fn zhn)結(jié)果圖9（1）仿真(fn zhn)結(jié)果圖9（2）4.3 電源擾動20% 1220%=2.4，即要求電源在9.6V14.4V之間擾動。因此采用方波電壓源代替擾動的電壓源，電路圖如圖10所示電源(diny

9、un)擾動圖10仿真(fn zhn)圖如圖11所示電源擾動(rodng)仿真圖115 小結(jié)(xioji) 通過(tnggu)已學(xué)的知識，如自動控制原理，電力電子技術(shù)等，并且結(jié)合了開關(guān)電源技術(shù)所學(xué)知識，完成了這次的課程設(shè)計(jì)。本次電源設(shè)計(jì)在BUCK電路原理的基礎(chǔ)上建立了小信號等效電路模型，并通過對PI控制器的設(shè)計(jì)，以及(yj)使用MATALAB和PSIM對電路進(jìn)行仿真，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并通過負(fù)載突加突卸對電路的抗干擾性進(jìn)行了驗(yàn)證。完成了這次研究論文我對BUCK電路有了更為深刻的認(rèn)識，可以較為熟練的使用PSIM軟件對電路進(jìn)行仿真研究，對MATALAB也有了一定的了解，可以通過它來精確繪制傳遞函

10、數(shù)的伯德圖。我深刻的認(rèn)識到要真正掌握知識就要學(xué)會如何熟練地運(yùn)用它，會用會做才是學(xué)會。參考文獻(xiàn) 1許澤剛，李俊生，郭建江.基于電力電子的虛擬綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐J.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).20082張衛(wèi)平等.開關(guān)變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版社,2006.01.3萬山明,吳芳.開關(guān)電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設(shè)計(jì)J. 電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.4楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.03.5張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社，1999:176184.6王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:258263. 7胡壽松.自動控制原理M.5版.科學(xué)出版社.2008