基于PI控制方式的2A开关电源PSIM仿真研究.doc

基于PI控制方式的2A开关电源PSIM仿真研究

基于PI控制方式的2A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

一、绪论
开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。
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。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到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，需要系统能够地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。例如，已知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迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，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，本文将通过PSIM用实例来研究PI控制器的调节作用。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性。
二、 目的
（1） 了解BUCK变换器的基本结构及工作原理；
（2） 掌握各参数的计算；
（3） 会用PSIM软件画原理图；
（4） 学会使用PSIM对各个电路图进行仿真。
三、Buck电路的总设计
3.1技术指标
输入直流电压(VIN)：10V
输出电压(VO)：5V；
输出电流(IN)：2A；
输出电压纹波(Vrr)：50mV；
基准电压(Vref)：1.5V；
开关频率(fs)：100kHz。

3.2 Buck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。
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）
将，带入得，电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着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。本例中取为则：C=600μF。

(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D的通态压降，电感L中的电阻压降，开关管S导通压降，其中L中串联电阻。
又因为 ： （4）
所以由式（2）、（3）、（4）联立可得,并将此值代入式(2)，可得L=61.6μH（实际取62μH）。
占空比:

导通角： θ=D×2×=

负载电阻：
3.3用Psim软件参数扫描法计算
当L=50uH时，输出电压和电流以及输出电压和电感电流的纹波如图2.1、2.2、2.3所示。
图2.1

图 2.2

图 2.3

图 3.1
当L=61.6uH时，输出电压和电流以及输出电压和电感电流的纹波如图3.1、3.2、3.3所示。

图 3.2

图 3.3

当L=70uH时，输出电压和电流以及输出电压和电感电流的纹波如图4.1、4.2、4.3所示。

图 4.1

图 4.2

图 4.3

采用Psim的参数扫描功能，由图可得，当L=61.6uH时，输出电流I=2A，输出电压。输出电压纹波Vrr =50mV，电感电流脉动小于所以选择L=61.6uH，理论分析和计算机仿真结果是一致的。
3.4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GOs)为：

假设PWM锯齿波幅值为，采样电阻。
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=[0.000150 2];
den=[0.00000003696 0.00002464 1];
g0=tf(num,den);
bode(g0);
margin(g0);

图5

如图所得，该系统相位裕度为41.5度，穿越频率为1.54kz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要加入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。
3.5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，此环节基本没有作用，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到无差状态。
图6

图6

采样电压为1.5V则取采样电阻R6、R7分别为3.5k和1.5k。
如图所示我采用的是PSIM自带的PI调节器，查用户手册得到其传递函数：

则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。
将数据代入得

相位裕度
一般相位裕度为：
则

取,将K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20时较为理想。
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=[40e-5 20];
den=[2e-5,0];
g=tf(num,den);
margin(g)

图7

则系统总的传递函数为：
通过matlab绘制系统伯德图如图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 on
num=[40e-5 20];
den=[2e-5,0];
g=tf(num,den);
margin(g);
hold on
num=[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)

图8

由图可得系统的相位裕度为54.1度，穿越频率为14.9kHz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。
四、负载突加突卸
4.1 满载运行
满载运行的电路图及仿真结果如图9所示。

图9
4.2 突加突卸80%负载
参数计算：
负载突加突卸电路图及仿真图如图10所示：

图10
由仿真图可以看出系统具有较好的抗负载扰动能力。

4.3 电源扰动
12×20%=2.4，即要求电源在8到12之间扰动。因此采用方波电压源代替扰动的电压源电源电压波形及仿真如图11所示：

图11

由仿真图的扰动波形可以看出系统具有较好的抗电源扰动的能力，符合设计要求。
五、个人总结
刚开始用这个软件时，自己一片茫然，都不知道要干些什么，这个软件该如何使用，之后就问学姐学长他们，开始慢慢会用了，就把原理图给画了，那时候觉得自己特别有成就感，因为都是通过自己的努力学会的，特别的开心，那么之后的问题就来了，电力电子也是刚学的，自控掌握的一点都不好，对于做这个报告困难更大了，一直都用一句话勉励自己，只要努力了，就不会失望的，放弃是最失败的，经过这几周的研究与练习，使我了解了Buck变换器基本结构及工作原理，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行仿真，感觉自己的专业课知识非常薄弱，在其中遇到了好多问题，理论与实际相结合还是相当重要的。
经过弄这个报告，自己学会了好多以前不会的知识，对PSIM也了解了好多，知道怎么画图，怎么仿真，觉得收获很大。

六、参考文献
【1】王兆安，黄俊. 《电力电子技术》 北京：机械工业出版社，2002:258～263.
【2】张占松主编 《开关电源技术教程》 机械工业出版社，2012
【3】黄忠霖，周向明主编 《控制系统MATLAB计算及仿真实训》 国防工业出版社
【4】万山明,吴芳. 《开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计》 电源技术应用,2004,7(3):142-145.
【5】张占松，蔡宣三. 《开关电源的原理与设计》 北京：电子工业出版社，1999:176～184.
【6】张崇巍，张兴. 《PWM整流器及其控制》 北京：机械工业出版社，2003:325～328.
【7】陈丽兰主编 《自动控制原理》 电子工业出版社，2006

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