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：

N

rr L rr C I V

i V R 2.0=∆=

（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F Ω*80~50μ。本例中取为F Ω*75μ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：

ON

L

ON L O IN T i L

V V V V ∆=--- （2） OFF

L

D L O T i L

V V V ∆=++ （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

s

ON OFF f T T 1

=+ （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，1.8A 0.2=∆L i 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： ()LC

s R

L s sCR V s H V s G C IN m

O 211)(1

)(+++••=

假设PWM 锯齿波幅值为Vm=1.5V ，采样电阻R1=3.5k Ω，Ry=1.5k Ω。

采样网络的传递函数为：

3.0)(2

12

=+=

R R R s H

2

66660101786102183

.010211)

042.01017861(103.05

.11

)(s s s s G ⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯+⨯⨯=----

2

8541075.31053.21105.12s

s s

---⨯+⨯+⨯+= 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);

-60-40-20020

40M a g n i t u d e (d B )10

2

10

3

10

4

10

5

-180

-135-90-450

45P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = Inf , P m = 41.4 deg (at 1.53e+003 Hz)

Frequency (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