PI控制方式的6A开关电源PSIM.docx
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PI控制方式的6A开关电源PSIM
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
班级:
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
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:
(1)
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
由式
(1)可得Rc=0.042Ω,C=1786μF。
(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)
假设二极管的通态压降VD=0.5V,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
(4)
所以由式
(2)、(3)、(4)联立可得TON=5.6μS,并将此值回代式
(2),可得L=21μH。
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
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
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
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
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
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:
假设PWM锯齿波幅值为Vm=1.5V,采样电阻R1=3.5kΩ,Ry=1.5kΩ。
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=[0.0001502.0];
den=[0.00000003750.00002531];
g0=tf(num,den);
bode(g0);
margin(g0);
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。
图6
PI补偿网络传递函数为:
其中
,
。
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
相位裕度
一般相位裕度为:
则
取
k=20.
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=[0.0004220];
den=[0.000021,0];
g=tf(num,den);
margin(g);
图7
通过matlab绘制系统伯德图如图8所示,程序如下:
num=[0.0001502.0];
den=[0.00000003750.00002531];
g0=tf(num,den);
bode(g0);
margin(g0);
holdon
num=[0.0004220];
den=[0.0000210];
g=tf(num,den);
margin(g);
holdon
num=[0.0001502.0];
den=[0.00000003750.00002531];
f=tf(num,den);
num1=[0.0004220];
den1=[0.0000210];
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54.6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:
2.6参数计算及电路仿真
一、80%的负载突加突卸电路参数计算:
(1)满载运行:
电路如图9所示,仿真结果如图10、11所示。
图9
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。
图12
图13
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8~12V.
电路如图15所示,电压仿真结果如图16所示,电压变化如图17所示。
图15
图16
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用它。
平时上课,我们不能只注重课本上的知识的吸收,更要运用于实际,学好本专业,也有利于我们将来的工作。
这次学习学到的不仅仅是开关电源的仿真,还让我接触使用了matlab,相信对以后的学习研究也有帮助。
参考文献
[1]张占松主编《开关电源技术教程》机械工业出版社,2012
[2]王兆安,黄俊主编《电力电子技术》机械工业出版社,2000
[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]陈丽兰主编《自动控制原理》电子工业出版社,2006
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- PI 控制 方式 开关电源 PSIM