基于PI控制方式的5A开关电源的PSIM仿真

基于 PI 控制方式的 5A 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：1、绪论随着电子技术的不断发展对电源的要求也不断的提高，开环的电源应该说早就不能满足要求，无论是在输出参数的精度还是抗干扰能力方面都比不上闭环控制系统。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。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。2、BUCK 总电路设计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)：5A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs) ：100kHz 。2.2 主电路参数计算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）NrLrIViR2.0将 ， 带入得 ，电解电容生产厂商很少给出 ESR，而且 ESR 随着mvVr50AIN55.c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F*805为 则：C=1500 F。F*7(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）ONLLOINTiV（3）FDLiV假设二极管的通态压降 ，电感中的电阻压降 ，开关管的导通压降D5.0VL5.0。VON5.0又因为（4）sONFfT1所以由式（2）、（3）、（4）联立可得 ，并将此值回代式(2)，可得 L=24uH（此处u6取 30uH）。（3）负载电阻计算15AVIRNOL2.3 用 Psim 软件参数扫描法计算当 L=10uH 时，输出电压波形以及输出电感电流纹波如图（2）所示。图（2）当 L=24uH 时，输出电压波形以及输出电感电流纹波如图（3）所示。图（3）当 L=45uH 时，输出电压波形以及输出电感电流纹波如图（4）所示。2854106.102.4ss图（4）采用 Psim 的参数扫描功能，由图可以看出，当 L=10uH 时调节时间短,当 L=24uH 时调节时间较短且,当 L=45uH 时调节时间较长。综合考虑选取 L=24uH,这与理论结果一致。3、补偿网络设计3.1 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：LCsRVsHsGINmO21)()(假设 PWM 锯齿波幅值为 Vm=1.5V，采样电阻 Rx=3.5kohm，Ry=1.5kohm 。采样网络的传递函数为： 2666107)5.501(3.01)( sssGO 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;.)(xyRsHden=0.0000000648 0.000024 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);图（5）如图所得，该系统相位裕度 32.3 度，穿越频率为 1.13kHz,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， 增加系统的快速性和稳定性。3.2 补偿网络相关参数计算采用如图（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）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为： TSKsGc1)(则系统总的传递函数为： s102.4104.5)7(k)( 58）（ ）（ ss设穿越频率为 ，则系统的对数幅频特性为：c 90-12arctn-901arctn7.5Tarct0)( cnc-c ）（ 其中 ，振荡阻尼系数8n104.5n8-52104.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cf sf取 =15khz，则穿越频率 。cf rad/109.421503.42fc 18.06-Tarctn9.42 63.0T1arctn9.4258.0671-5-.7将数据代入 得 90-12arctn-901arctn7.5Tarct0)( cnc-c ）（ -8.4Trt.42)(c 相位裕度 .10t.)(1804c一般相位裕度为 5则 8-取 ,将 K 取不同的值在 MATLAB 上仿真得到 k=20 时较为理想。52T则 PI 传递函数为： s102.)(5c）（sG绘制 PI 传递函数伯德图，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： SSGS 521031328)( 609485.4.7通过 matlab 绘制系统伯德图，程序如下：num=0.000180 2.4;den=0.000000045 0.00003 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=0.00018 2.4;den=0.00000