基于PI控制方式的8A开关电源PSIM

基于PI控制方式的8A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：13电气卓越姓名：董烨学号：13020407绪论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，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。为了使其具抗干扰能力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。1设计要求技术指标：输入直流电压(VIN)：12V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：8A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz.设计主电路以及校正网络，使满足以上要求。2主电路参数计算主电路如图1图1buck主电路2.1电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻CR有关NrrLrrCIViVR2.0通常CR并未直接给出，但CRC趋于常数，约为F8050，此处取FCRC75可得：mRC25.31取mRC31FC24002.2电感参数计算由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程OFFLDLOONLONLOINTiLVVVTiLVVVV假设：VVD5.0VVL1.0VVON5.0其中L中串联电阻0125.0NLLIVR可得：sTON65.4HL66.18图2开关管开通及关断时的等效电路设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关的导通压降VON=0.5V。Ts=1/10^5=10us12-5-0.1-0.5=1.6L/Ton5+0.1+0.5=1.6L/(10-Ton)解得Ton=4.65uSL=18.66uH(注：在实际电路中，L取15uH)图3当L=18.66uH时，电感电流在11.00~13.00之间脉动，符合△iL≤0.2IN=1.6A的设计要求。3Buck补偿网络设计图4Buck变换器控制图3.1原始回路有关计算采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数G0（s）为：LCsRLssCRVsHVsGCINmO211)(1)(占空比33.0155INOVVD直流增益VVDVGINOd150，dBGdBGdd24lg2000双极点频率7.0102400109.21212126600LCwfpp品质因数5.69.212400625.00LCRQ，dBQdBQ3.16lg2000其中625.085NOIVR假设PWM锯齿波幅值Vm=1.5V，Rx=3KΩ，Ry=1.3KΩ,由此可得采用网络传递函数H（s）=0.3，原始回路直流增益A0=G0（0）=2.4。计算如下：3.03.133.1RyRxRysH2^10*6.3*2^6^10*23.952*1)6^10*5.7*1*2.46^10*2400*6^10*94.14*2^0.6256^10*94.14*1)3^10*25.31*6^10*2400*1(12*3.0*1.51s)0ssssssG（（2.400）（Gnum=[2.4*6*10^(-5)2.4];den=[3.6*10^(-8)23.952*10^(-6)1];H=tf(num,den);bode(H);[mag,phase,w]=bode(H);[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);得到原始传递函数的波特图如图5所示图5如图所得，该系统相位裕度5.89°，穿越频率HZe00339.1,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。3.2补偿网络设计步骤本设计采用的Pi补偿网络进行设计，含Pi补偿网络的总电路图如图6所示图6采样电压为1.5V则取采样电阻为3K和1.3K。如图采用PSIM自带的PI调节器，查用户手册得到其传递函数为：TSTSKsGc1)(则系统总的传递函数为：Ts1103104.51Ts)1s107.5(2.4k)(5285）（）（sssG设穿越频率为c，则系统的对数幅频特性为：90--12arctan-90-10arctan7.5Tarctan0)(2ncncc5-cc）（其中8n104.51，振荡阻尼系数n8--52104.5103为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率cf，一般穿越频率以小于1/5sf较为恰当。本次取cf=15khz，则穿越频率rad/s109.42150003.142f24cc。188.06-T10arctan9.42463.06T10arctan9.4258.0641.97T109.421.64-5-5102.1T101.7将数据代入90--12arctan-90-10arctan7.5Tarctan0)(2ncncc5-cc）（得90-180-81.94T10arctan9.42)(4c相位裕度8.06-T10arctan9.42)(1804c一般相位裕度为5550则558.06-T10arctan9.42504取-5102.0T,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：s102.01s102.020)(55c）（sG绘制PI传递函数伯德图，程序如下：num=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)则系统总的传递函数为：SSSSSGS5210313328)(102106109481056.4102.7通过matlab绘制系统伯德图，程序如下：num=[0.0001802.4];den=[0.0000000450.000031];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[0.000182.4];den=[0.0000000450.000031];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)总系统伯德图如下图：由图可以看出矫正后的系统相位裕度7.53，穿越频率为14.7kHz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。满载（含补偿）电路仿真结果如图7：图7如图，电压稳定后在5V左右，电流稳定后在1.9A左右。四.负载突加突卸4.1满载运行满载运行的电路图如图6所示，仿真结果如图7所示。（在补偿网络中）4.2突加突卸80%负载计算参数：3125.01//125.3125.31.651.61.62.0onnNRRAVAVAI图8仿真结果如图9图9附关于PISMPI控制方式的8A电流电路各项参数：输入直流电压(VIN)：12V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：8A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz.常数FCRC75电容电阻RC=31.25mohm电容C=2400uF电感电阻Rl=3.125ohm电感L=18.66uH扰动频率：150HZ扰动电阻Rn=0.625ohmPI适配器Ton=4.65us与PD控制方式的8A电流电路比较:PD控制方式满载含补偿总电路图与仿真：突加突卸总电路图与仿真五．小结本次电源设计在BUCK电路原理的基础上建立了小信号等效电路模型，并通过对PI控制器的设计，以及使用MATALAB和PSIM对电路进行仿真，基本实现了预定的目标，并通过负载突加突卸对电路的抗干扰性进行了验证。同时，相较于PD与PID的控制方式，我发现了PI控制方式在PSIM软件中控制的简便性与准确性，在总电路中加入补偿时，可直接使用自带的PI补偿器，只需要改变PI补偿器的实践参数就可以达到一致补偿的目的。完成了这次研究论文我对BUCK电路有了更为深刻的认识，可以较为熟练的使用PSIM软件对电路进行仿真研究，对MATALAB也有了一定的了解，可以通过它来精确绘制传递函数的伯德图。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。参考文献[1]张卫平等.开关变换器的建模与控制[M].北京:中国电力出版社,2006.01.[2]万山明,吴芳.开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计[J].电源技术应用,2004,7(3):142-145.[3]杨旭等.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2004.03.[4]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1999:176～184.[5]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002:258～263.[6]周志敏.周纪海.开关电源实用技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003:15～17.[7]张兰红.基于电流控制技术反激式变换器研究[J].南京：南京航空航天大学，2001:68～75.[8]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003:325～328.