PI控制方式的6A开关电源PSIM

1、.基于 PI 控制方式的6A 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.专业专注.班级：.专业专注.绪论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 ，需要系统能够稳 、准、快地做出合适的调节，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

2、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。 PI 控制器提高了系统的类型，从而有效地改善了系统的稳态误差，但稳定性会有所下降 。PD 控制器可以预测作用误差，使修正作用提前发生 ，从而有助于增强系统的稳定性。PID 控制器保持了 PI 控制器改善系统稳定性能的优点，同时多提供一个负实数零点，使得在提高

3、系统动态性能方面具有更大的优越性。1. 基于 PI 控制方式的 Buck 电路的综合设计Buck 变换器最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck 族，现以 Buck 变换器为例 ，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路 ，并采用单电压环、电流 - 电压双环设计控制环路 。2.1 技术指标.专业专注.输入直流电压 (VIN) ：10V输出电压 (VO)：5V；输出电流 (IN) ：6A；输出电压纹波 (Vrr)：50mV ；基准电压 (Vref) ：1.5V；开关频率 (fs)：100kHz 。2.2 Buck主电路的参数设计Buck 变换器主电路如图1 所示，其

4、中 Rc 为电容的等效电阻ESR。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：RCVrrVrr（1）i L0.2I N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 50 80 * F 。 本例中取为 75 * F 由式 (1) 可得 Rc=0.042 ，.专业专注.C=1786 F。(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：VINVO VL VON Li L（2）TONi LVOVLVDL（3）TOFF假设二极管的通态压降VD=0

5、.5V ，电感中的电阻压降VL=0.1V ，开关管的导通压降VON=0.5V 。又因为TOFFTON1（ 4）f s所以由式 （ 2）、（ 3）、（ 4）联立可得 TON=5.6 S，并将此值回代式 (2)，可得 L=21 H。2.3 用 Psim 软件参数扫描法计算当 L=10uH 时，输出电压和电流以及输出电压的纹波如图2.1、2.2 所示 。图 2.1.专业专注.图 2.2当 L=21uH 时，输出电压和电流以及输出电压的纹波如图3.1、3.2 所示 。图 3.1.专业专注.图 3.2当 L=30uH 时，输出电压和电流以及输出电压的纹波如图4.1、 4.2 所示 。图 4.1图 4.2

6、采用Psim 的参数扫描功能，由图可得 ，当 L=21uH时，输出电流I=6A ，输出电压U=5V 。 输出电压纹波Vrr =50mV ，电感电流脉动小于 0.2 i L1.8A ，所以选择 L=21uH ，理论分析和计算机仿真结果是一致的。2.4 原始系统的设计.专业专注.采用小信号模型分析方法得Buck 变换器原始回路增益函数GO(s)为：1VIN 1sCRCGO ( s)H (s)VmL2LC1 ssR假设 PWM 锯齿波幅值为 Vm=1.5V ，采样电阻 R1=3.5k ，Ry=1.5k。采样网络的传递函数为 ：H (s)R20.3R R2110.310(1178610 60.042s

7、)G 0 (s)10 6 s1.51212110 61786 10 6s20.8321.510 4 s12.53 10 5 s3.7510 8 s2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 2.0;den=0.0000000375 0.0000253 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);.专业专注.)Bd(edtuingaM)ged(esahPBode DiagramGm = Inf , P m = 41.4 deg (at 1.53e+003 Hz)40200-20-40-60450-45-

8、90-135-180234510101010Frequency (Hz)图 5如图所得 ，该系统相位裕度为 41.4 度，穿越频率为 1.53khz, 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。2.5 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 。.专业专注

9、.图 6PI 补偿网络传递函数为 ：Gc(s) K TS1TS其中R 2， T R1。K2CR 1系统总的传递函数为 ：2K (7.510 5 S 1)(TS1)G( s)5 S 3.75 108 S2 )TS(1 2.53 10设穿越频率为c ，则系统的对数幅频特性为 ：2c( c ) 0 arctan c T arctan7.5 10-5n- 90c - 90 - arctan2（c ）1-n其中12.53 10-53.75 10 83.75 10-8Wn，振荡阻尼系数 2 n为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率 f c ，一般穿越频率以小于1/5 f s 较为恰当 。本次取f c =1

10、5khz ，则穿越频率c2 f c2 3.1415000 9.42 104 rad/s 。2c将数据代入 ( c ) 0 arctan cTarctan7.510- 5n- 90c - 90 - arctan2（ c）1-n.专业专注.（ Wc）arctan9.4210 4 T81.94 -180 - 900.41相位裕度180（c arctan9.42 104T7.65）一般相位裕度为 ： 5055则50 arctan9.42104T7.655557.65 arctan 9.42104 T62.651.589.42104 T1.931.710-5T2.110-5取 T 2.1 10 -5 ,

11、k=20.则 PI 传递函数为 ：20 （2.1105 s 1）Gc (s)105 s2.1绘制 PI 传递函数伯德图如图7 所示，程序如下：num=0.00042 20;den=0.000021,0;g=tf(num,den);margin(g);.专业专注.Bode DiagramGm = Inf , P m = Inf7060)Bd(50edtuing40aM30200)ged(e -45s ahP-90102345610101010Frequency (Hz)图 7通过 matlab 绘制系统伯德图如图8 所示，程序如下 ：num=0.000150 2.0;den=0.00000003

12、75 0.0000253 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=0.00042 20;den=0.000021 0;.专业专注.g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=0.000150 2.0;den=0.0000000375 0.0000253 1;f=tf(num,den);num1=0.00042 20;den1=0.000021 0;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)；.专业专注.Bode

13、 DiagramGm = -18.7 dB (at 3.87e+003 Hz) , Pm = 54.6 deg (at 1.46e+004 Hz)100)50B补 偿 后d(ed0utin补偿网络gaM-50补 偿 前-10090补 偿 前补偿网络)0ged(e -90s ahP-180补偿网络-270102345610101010Frequency (Hz)图 8由图可得系统的相位裕度为54.6 度，穿越频率为 14.6khz ，系统的的快速性和稳定性都得到改善。总的传递函数为 ：6.310 8S23.84103 S40G (s)13 S35.31 1010 S22.1 10 5S7.88

14、102.6 参数计算及电路仿真一、 80%的负载突加突卸电路参数计算：.专业专注.20%IN1.2AVo5V251.2A1.2A625/ RNR59625RN21（1）满载运行 ：电路如图 9 所示，仿真结果如图10、11 所示 。图 9.专业专注.图 10图 11（2）突加突卸 80%负载：电路如图 12 所示 。 仿真结果如图 13、 14 所示 。.专业专注.图 12图 13.专业专注.图 14突加 80%负载电压有 0.2v 的波动，恢复时间为 0.15ms ，对负载的扰动 PI 调节具有一定的调节能力 ，恢复时间较短 。二、电源扰动电源扰动 20%，电压变化范围812V.电路如图 1

15、5 所示，电压仿真结果如图16 所示，电压变化如图 17 所示 。.专业专注.图 15V1V212108642000.0020.0040.0060.008Time (s)图 16.专业专注.V1V265.554.540.00340.00360.00380.0040.00420.0044Time (s)图 17当电源出现 20%的扰动时 ，电压变化不足 0.1v ，系统对电源的扰动具有良好的抗干扰能力。小结四个多星期的开关电源仿真研究，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。在此过程中复习了自控所学的知识，对闭环控制有了更直观的了解，同时也意识到自己学的知识还不够扎实 ，当真正运用于实际问题的时候就出现了困难，理论与实际相结合是非常重要的。平时能真正动手去做的事情还是比较少的，大多是理论知识的学习，拥有这次机会去对开关电源进行仿真研究 ，让我深刻的认识到要真正掌握知识就要学会如何熟练地运