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1基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究效果显著。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。3.2Buck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。2基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究图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：VrrVrr（1）RC0.2INiL将Vrr50mv，IN2A带入得RC0.125，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RC50~80F。本例中取为75F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：VINVOVLVONLiL（2）TONVOVLVDLiL（3）TOFF假设二极管D的通态压降VD0.5V，电感L中的电阻压降VL0.1V，开关管S导通压降VON0.5V，其中L中串联电阻RLVL0.05。IN又因为：TOFFTON1（4）fs所以由式（2）、（3）、（4）联立可得TON5.6s,TOFF4.4s并将此值代入式(2)，可得L=61.63基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究μH（实际取62μH）。占空比:DTON0.56TONTOFF导通角：θ=D×2×=201.6180负载电阻：RLVO5VIN2.52A3.3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2.24基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究图2.3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3.15基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究图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。6基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究图4.1图4.27基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究图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UO5V。输出电压纹波Vrr=50mV，电感电流脉动小于0.2IN0.4A，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GO(s)为：GO(s)1?H(s)?VIN1sCRCVm1sL2LCRs假设PWM锯齿波幅值为Vm1.5V，采样电阻R3.5k,R1.5k。xy采样网络的传递函数为：H(s)Ry1.50.3RyRx5GO(s)10.310(1600106125103s)1.561.6106s662161.61060010s2.521.5104s12.464105s3.696108s2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：8基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究num=[0.0001502];den=[0.000000036960.000024641];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。9基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究图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：Gc(s)KTS1TS则系统总的传递函数为：2.0k(7.5105s（）G(s)1)Ts1（3.696108s22.464105s1）Ts设穿越频率为 c，则系统的对数幅频特性为：2c(c)0arctancTarctan7.510-5c-90-arctann-90c2（）1-n其中1，振荡阻尼系数2.46410-5n83.69610-823.69610n10基于PI控制方式的 2A开关电源PSIM仿真研究为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率fc，一般穿越频率以小于1/5fs较为恰当。本次取fc=15kHz，则穿越频率c2fc23.14150009.42104rad/s。2c-5将数据代入(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-8.06一般相位裕度为：5055则50arctan9.42104T-8.065558.06arctan9.42104T63.069.42104T1.971.710-5T2.0910-5取T2.010-5,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：20（2.0105s1）Gc(s)2.0105s绘制PI传递函数伯德图如图 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开关电源PSIM仿真研究图7则系统总的传递函数为：6.0108S23.8103S40G(S)13S34.9281010S22.0105S7.39210通过matlab绘制系统伯德图如图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开关电源PSIM仿真研究图8由图可得系统的相位裕度为54.1度，穿越频率