基于pi控制方式的10a开关电源psim仿真研究.pdf

1 2 3 4 5 总分题目：基于 PI 控制方式的 10A 开关电源Psim 仿真研究班级：姓名：学号：时间： 2009 年 12 月 20 日现代仪器电源课程综合论文一 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，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二 实验目的 ：(1) 了解 Buck变换器基本结构及工作原理；(2) 掌握电路器件选择和参数的计算；(3) 学会使用 pism 仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真4) 学会使用 pism 仿真软件对控制环节的仿真技术5) 学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度三 实验要求 ：输入直流电压 (VIN) ：15V；输出电压 ( VO) ：5V；输出电流 ( IN)：10A；输出电压纹波 (Vrr)：50mV；基准电压 ( Vref) ：1.5V；开关频率 ( fs) ：100kHz四 主电路功率的设计（1）buck 电路图 4-1-1 ：buck 电路图 4-1-1 rrrr C LN0.2VVRiI=25mohm c*Rc的乘积趋于常数 50~80uF ，我使用 75μΩ*F，由式 (1) 可得RC=25mohm ，C=3000μF。

开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如下式所示：INOLONLON/VVVVL iTOLDLOFF/VVVL iTTon+Toff=1/fs 设二极管的通态压降 VD=0.5V，电感中的电阻压降 VL=0.1V，开关管导通压降 VON=0.5V经计算得 L=17.54667uH2）用psim软件参数扫描法计算：当L=10uH 时，输出电压和电流和输出电压纹波4-2-1如图4-2-1当L=17.54667uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-1 图4-2-1 当L=30uH 时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-3 图4-2-3 我用psim的作参数扫描，显然有图可得，当L=20uH 时， 输出电流 I=10A， 输出电压为 U=5v 输出电压纹波为 Vpp=50mv 所以我选择 L=17.54667uH所以理论分析和计算机仿真结果是一致的3) 交流小信号模型中电路参数的计算如下：占空比：gVVD直流增益：gdVDVG0，00lg20ddBdGG双重极点频率： LCfp p2120 0品质因数：LCRQ0，00lg20dB在具有双重极点的传递函数中，频率特性在极点频率附近变化非常剧烈，其中相频特性变化非常剧烈段的起始频率 fa和终止频率 fb，由下可以确定：02/1010pQ aff02/1010pQ bff（4）采用小信号模型分析经分析得 Buck 变换器原始回路增益函数GO(s)为：LCsRLssCRVsHVsGCINmO 211)(1)(＝266610053.010994.341)10751 (153.05.11sss＝266610053.010994.341102253sss假设 PWM 锯齿波幅值Vm＝1.5V，RX＝3k，Ry＝1.3k，由此可得采样网络传递函数)(sH=0.3，原始回路直流增益)(sAo＝3。

双重极点频率 : LCfP P14.32114.320 0=0.695kHz 用 matlab 画出的 G0 （s）的伯德图：程序：num=[0.000225 3]; den=[0.000000053 0.000034994 1]; [mag1,phase1,w1]=bode(num,den); margin(mag,phase,w) -60-40-2002040Magni tude(dB)101 102 103 104 105 106-180-135-90-45045Phase(deg)Bode Diagram Gm = Inf , Pm = 40.3 deg (at 1.49e+003 Hz)Frequency (Hz)如图所得，该系统相位裕度40.3 度，穿越频率为 1.49e+003Hz,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六 补偿网络的设计为了提高穿越频率，设加入补偿穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率cf是开关频率sf 的二十分之一，即Cf=Sf/20=100/5取 15KHZ所以使用 pi 调节。

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如图: 有图可以得到：传递函数为 CSRCSRCSRRRTSKsGc12111121)(因为 RX＝3k，Ry＝1.3k与 R1 直接相连可能会导致的R1 失效，所以要接一个电压跟随器又因为要R1上的功率最好应该小于3wI=Vo/Rx+Ry Ur1=I*R1 Ur1*Ur1/R1=2.5ohm 我取： R1=3ohm 因为是 pi 调节器，所以我选择R2比较大，增益增大 R2 我选择 39ohm C=e-6fCSRCSRCSRRRTSKsGc12111121)(Gc（s）=1+3.9e-5s/3.00e-6s 用 matlab 求的 bode图：num=[3.9e-5 1]; den=[3.00e-6,0]; g=tf(num,den); margin(g) 2030405060Magni tude(dB)103 104 105 106-90-450Phase(deg)Bode Diagram Gm = Inf , Pm = InfFrequency (rad/sec)G(s)=G0(s)*Gc(s)=(3+225e-6s)(1+3.9-5s)/(5.53e-8S*S=34.994*s+1)(3e-6s) （2）总电路的波特图用matlab 求的bode图: num=[0.000225 3]; den=[0.000000053 0.000034994 1]; f=tf(num,den); num1=[3.9e-5 1]; den1=[3e-6 0]; g=tf(num1,den1); num2=conv(num,num1); den2=conv(den,den1); margin(num2,den2) -50050100Magni tude(dB)101 102 103 104 105-225-180-135-90-45Phase(deg)Bode Diagram Gm = -17.2 dB (at 2.82e+003 Hz) , Pm = 55.7 deg (at 9.79e+003 Hz)Frequency (Hz)相位裕度为 55.7 度，穿越频率为9.79e+003Hz 比起 G0 （S）穿越频率增加，提高了相位裕度，改善了系统的瞬态响应，和稳定性所以满足了要求。

七 总电路图的设计（1）总电路图的设计图7-1-1 图 7-1-1 总电路的设计采用Psim.软件PSIM 是专门为电力电子和电动机控制所设计的模拟软体由于快速的模拟方式和容易操作的使用者界面， PSIM 提供一种强而有力的模拟环境来满足你的模拟需求PSIM 电力电子系统模拟软体3）总电路的仿真图7-3 图 7-3 (4) 如何减小超调量关于由于开环传涵的超调量较大，有两种方法可以解决，第一种采用软启动，第二种是改变补偿网络的传涵， 由于得到的图已经满足要求，所以采取软启动， 这样就降低了图形的超调量软启动：1用软启动方式2不用软启动方式采用给电容充电的方式，降低开始电压的输入，所以，可以降低电压的超调5）改变电压值是Vin=12v 图 7-5 图 7-5 右图可知，输出电压为4.98v ，超调量也满足要求，由此可得该电路的抗电压降低的能力也不错改变电压为 Vin=18v 图 7-6 图 7-6 输出电压 5.92v 满足超调量要求，所以该电路也抗升压八 心得体会论文写到这里，我不禁有感而发，辛苦的突击式的完成了这篇论文，此时此时有种醍醐灌顶的感觉 曾经的学习都是为了考试而学，以为考过了就算掌握了那么课的知识，根本不去想为什么要去学这门课程？这门课程有什么作用？如何把学过的进行整合，将各种基础课程联系起来。

感谢许老师用心良苦的给我们这次机会去完成这样一篇论文，使得我深刻的认识到要真正掌握知识不能抱着考试考高分的心态，考试考得再好，不一定代表自己能掌握，更别提如何熟练运用它之前自我感觉学的还可以的《自动控制原理》，等到我为了完成这篇论文再重新去查阅它， 发现自己那些幅频特性， 相位裕度等知识原来知识存在大脑里的一个概念，根本没有去理解它，没有结合实际的去消化吸收它像这样的情况还有很多，在《模电》里也遇到所以这也是我花了如此长的时间去艰难的完成这篇论文，在此过程中，我很彻底的重新学习了很多以前学过的知识第一次写这种论文，虽然结果还不完美，但我感觉学习到的知识和经验远远超过了写论文的本身 熬夜身体很疲劳， 但我现在心里却感觉无比的充实， 可能这就是所谓痛并快乐着吧！参考文献张晋格主编《控制系统CAD 仿真》机械工业出版社，2004 张建生主编《现代仪器电源》科学出版社， 2005 王兆安，黄俊主编《电力电子技术》机械工业出版社，2000 邵裕森主编《过程控制及仪表》上海交通大学出版社2007 黄忠霖，周向明主编《控制系统MA TLAB 计算及仿真实训》国防工业出版社陈丽兰主编《自动控制原理》电子工业出版社2006 【美】 Katsuhiko Oagta 著《现代控制工程》 （第四版）电子工业出版社2003。