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)：電氣工程及其自動化一、緒論開關(guān)電源是近年來應(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1基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究效果顯著。開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見的控制對象，包括單極點(diǎn)型控制對象、雙重點(diǎn)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(fù)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(dá)到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實(shí)際系統(tǒng)而言，對于負(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)能夠地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復(fù)雜了。例如，已知主電路的時間常數(shù)較大、響應(yīng)速度相對緩慢，如果控制的響應(yīng)速度也緩慢，使得整個系統(tǒng)對外界變量的響應(yīng)變得很遲緩；相反如果加快控制器的響應(yīng)速度，則又會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以，開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計要同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)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(shí)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。二、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)的計算；（3）會用PSIM軟件畫原理圖；（4）學(xué)會使用PSIM對各個電路圖進(jìn)行仿真。三、Buck電路的總設(shè)計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Buck變換器主電路如圖 1所示，其中Rc為電容的等效電阻。2基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖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(guān)及Rc有關(guān)：VrrVrr（1）RC0.2INiL將Vrr50mv，IN2A帶入得RC0.125，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RC50~80F。本例中取為75F則：C=600μF。(2)濾波電感參數(shù)計算當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)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：VINVOVLVONLiL（2）TONVOVLVDLiL（3）TOFF假設(shè)二極管D的通態(tài)壓降VD0.5V，電感L中的電阻壓降VL0.1V，開關(guān)管S導(dǎo)通壓降VON0.5V，其中L中串聯(lián)電阻RLVL0.05。IN又因?yàn)椋篢OFFTON1（4）fs所以由式（2）、（3）、（4）聯(lián)立可得TON5.6s,TOFF4.4s并將此值代入式(2)，可得L=61.63基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究μH（實(shí)際取62μH）。占空比:DTON0.56TONTOFF導(dǎo)通角：θ=D×2×=201.6180負(fù)載電阻：RLVO5VIN2.52A3.3用Psim軟件參數(shù)掃描法計算當(dāng)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2.24基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖2.3當(dāng)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3.15基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖3.2圖3.3當(dāng)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。6基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖4.1圖4.27基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖4.3采用Psim的參數(shù)掃描功能，由圖可得，當(dāng)L=61.6uH時，輸出電流I=2A，輸出電壓UO5V。輸出電壓紋波Vrr=50mV，電感電流脈動小于0.2IN0.4A，所以選擇L=61.6uH，理論分析和計算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。3.4原始系統(tǒng)的設(shè)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：GO(s)1?H(s)?VIN1sCRCVm1sL2LCRs假設(shè)PWM鋸齒波幅值為Vm1.5V，采樣電阻R3.5k,R1.5k。xy采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：H(s)Ry1.50.3RyRx5GO(s)10.310(1600106125103s)1.561.6106s662161.61060010s2.521.5104s12.464105s3.696108s2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：8基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究num=[0.0001502];den=[0.000000036960.000024641];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，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)。9基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖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)：Gc(s)KTS1TS則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：2.0k(7.5105s（）G(s)1)Ts1（3.696108s22.464105s1）Ts設(shè)穿越頻率為 c，則系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為：2c(c)0arctancTarctan7.510-5c-90-arctann-90c2（）1-n其中1，振蕩阻尼系數(shù)2.46410-5n83.69610-823.69610n10基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究為了增加系統(tǒng)的快速性，需要提高穿越頻率fc，一般穿越頻率以小于1/5fs較為恰當(dāng)。本次取fc=15kHz，則穿越頻率c2fc23.14150009.42104rad/s。2c-5將數(shù)據(jù)代入(c)0arctancTarctan7.510-90-arctann-90得c2（c）1-n(c)arctan9.42104T81.94-180-90相位裕度180(c)arctan9.42104T-8.06一般相位裕度為：5055則50arctan9.42104T-8.065558.06arctan9.42104T63.069.42104T1.971.710-5T2.0910-5取T2.010-5,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：20（2.0105s1）Gc(s)2.0105s繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖如圖 7所示，程序如下：num=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)11基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖7則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：6.0108S23.8103S40G(S)13S34.9281010S22.0105S7.39210通過matlab繪制系統(tǒng)伯德圖如圖8所示，程序如下：num=[0.0001502];den=[0.000000036960.000024641];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[0.000152];den=[0.000000036960.000024641];f=tf(num,den);num1=[40e-520];den1=[2e-50];g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)12基于PI控制方式的 2A開關(guān)電源PSIM仿真研究圖8由圖可得系統(tǒng)的相位裕度為54.1度，穿越頻率