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1、基于PD控制方式的10A開關(guān)電源PSIM仿真研究基于PD控制方式的10A開關(guān)電源PISM仿真研究學(xué)院:電氣與光電工程學(xué)院專業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí):1、緒論開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成,大致由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成。電源是組成各種電子設(shè)備的最基本部分,每個(gè)電子設(shè)備均會(huì)要求有一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源來供給設(shè)備的各種信號(hào)處理電路的直流偏置,以期達(dá)到各信號(hào)處理電路能穩(wěn)定可靠的工作。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)的控制和處理顯示出越來越多的優(yōu)
2、點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理和控制,避免模擬信號(hào)傳遞畸變失真,減少雜散信號(hào)的干擾,軟件調(diào)試方便等。例如,已知主電路的時(shí)間常數(shù)較大、響應(yīng)速度相對(duì)緩慢,如果控制的響應(yīng)速度也緩慢,使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外界變量的響應(yīng)變得很遲緩;相反如果加快控制器的響應(yīng)速度,則又會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以,開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求,這就需要一定的技巧,設(shè)計(jì)出合理的控制器,用控制器來改造控制對(duì)象的特性。常用的控制器有比例-積分(PI)、比例-微分(PD)、比例-積分-微分(PID)等三種類型。本次實(shí)驗(yàn)是以PD控制下的開關(guān)電源PSIM仿真。2.Buck變換器主電路設(shè)計(jì)圖2.1 Buck主電路
3、圖2.1技術(shù)指標(biāo):輸入直流電壓():10V;輸出電壓():5V;輸出電流():10A;輸出電壓紋波():50mV;基準(zhǔn)電壓():1.5V;開關(guān)頻率():100kHz2.2主電路各參數(shù)計(jì)算 (1)濾波電容參數(shù)計(jì)算 輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān): D (1)=但C與R的乘積趨于常數(shù),約為5080。本例中取為75,由式(1)可得: C=3000。(2)濾波電感的計(jì)算根據(jù)基爾霍夫電壓方程可知,開關(guān)管S閉合與導(dǎo)通狀態(tài)輸入電壓和輸出電壓滿足如下關(guān)系: (2)假設(shè)穩(wěn)壓管D的通態(tài)壓降=0.5V,電感L中的電阻壓降=0.1V,開關(guān)管S導(dǎo)通壓降=0.5V, (3)可得: (取13) 由Psim仿真,得
4、圖2.2 和2.3圖2.2 電感電流脈動(dòng)當(dāng)電感L=13uH,電感中的電流在7.3-9.35A之間,符合的設(shè)計(jì)要求,并且理論分析與仿真結(jié)果一樣。圖2.3 輸出電壓脈動(dòng)當(dāng)電感L=13uH,電感中的電流在5v左右,符合設(shè)計(jì)要求,并且理論分析與仿真結(jié)果一樣。2.3采用參數(shù)掃描法,對(duì)所設(shè)計(jì)的主功率電路進(jìn)行仿真當(dāng)L=25uH時(shí),電感電流紋波2.4和輸出電壓紋波2.5如下: 圖2.4 電感電流紋波圖2.5 輸出電壓紋波(2)當(dāng)L=5uH時(shí),電感電流紋波2.6和輸出電壓紋波2.7如下:圖2.6 電感電流紋波圖2.7 輸出電壓紋波采用PSIM的參數(shù)掃描功能,由圖可得,當(dāng)L=5uH或25uH時(shí),電感中電流紋波和輸
5、出電壓紋波較大,調(diào)節(jié)時(shí)間較長;當(dāng)L=13uH時(shí),電感電流紋波最合適,波動(dòng)較小,所以選擇L=13uH,理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。3.有關(guān)計(jì)算3.1原始回路有關(guān)計(jì)算1.采用小信號(hào)模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)為: (4)假設(shè)PFM鋸齒波幅值=1.5V,=3,=1.325,由此可得采用網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù) ,原始回路直流增益。計(jì)算如下: 極點(diǎn)頻率根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖3.1.1所示,MATLAB的程序如下: num=75000e-9 2; den=63960*1e-12 24.64*1e-6 1; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(
6、g0);圖3.1.1 仿真圖3.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)(1) PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如圖3.2.1: 圖3.2.1 PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為: , , , (2)確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為了提高穿越頻率,加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率在之間。 相位裕度在之間,設(shè)相位裕度,PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零、極點(diǎn)頻率計(jì)算公式為:所以 , PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)直流增益為:則根據(jù)PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖3.2.2所示,MATLAB的程序如下: num=281.316*1e-5 118.2; den=2.66*1e-6 1; g=tf(num,den); margin(g)圖3.2.2 PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Bode圖系
7、統(tǒng)傳遞函數(shù)為 (電容內(nèi)阻忽略)根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖3.2.3所示,MATLAB的程序如下:num=75000e-9 2;den=63960*1e-12 24.64*1e-6 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=281.316*1e-5 118.2;den=2.66*1e-6 1;g=tf(num,den);margin(g)hold onnum=75000e-9 2;den=63960*1e-12 24.64*1e-6 1;f=tf(num,den);num1=281.316*1e-5 118.2;den1=2.66
8、*1e-6 1;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)圖3.2.3 PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Bode圖相位裕度在之間由圖知:,滿足要求3.3補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路中參數(shù)的計(jì)算 設(shè),可得,(取,) 負(fù)載突加滿載:如圖3.3.1(原理圖),圖3.3.2(仿真圖),圖3.3.3(仿真圖)圖3.3.1 原理圖圖3.3.2 仿真圖圖3.3.3 仿真圖負(fù)載突加卸載80%負(fù)載: 如圖3.3.4(系統(tǒng)圖),圖3.3.5(仿真圖),圖3.3.6(仿真圖) 圖3.3.4系統(tǒng)圖圖3.3.5 仿真圖圖3.3.6 仿真圖4. 電壓擾動(dòng)
9、電源加20%的擾動(dòng)即8V和12V,其原理圖和波形圖如下圖4.1 原理圖圖4.2 波形圖 擾動(dòng)加上后仿真結(jié)果如圖4.3和圖4.4:圖4.3 仿真圖圖4.4 仿真圖由仿真結(jié)果可得,系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力較好,符合設(shè)計(jì)要求。效果較好。5.個(gè)人小結(jié)通過本次開關(guān)電源設(shè)計(jì),我們更加深刻的理解了buck電路,在自己實(shí)踐的同時(shí)也印證了課本里學(xué)習(xí)的重點(diǎn)知識(shí),也讓我們知道了學(xué)習(xí)的重要性,設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分考驗(yàn)知識(shí)水平和個(gè)人運(yùn)用能力的綜合訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)是我們遇到了很多的平時(shí)不了解的方面,也在運(yùn)用軟件方面有了更緊一步的深入,軟件的熟練程度也有了提高,設(shè)計(jì)的同時(shí)并沒有單獨(dú)的用到電源的知識(shí),也用到了相關(guān)科目的知識(shí),對(duì)我們綜合的能力也
10、有了很高的要求,當(dāng)然在設(shè)計(jì)的同時(shí)也得到了同學(xué)們的幫助和幫忙,在探討下得以完成了這門課。在設(shè)計(jì)電路這個(gè)考驗(yàn)運(yùn)用和分析的過程中,更充分的了解到了溫故而知新的意義所在。對(duì)于仿真軟件的應(yīng)用,從安裝到熟悉基本操作的過程是自學(xué)和互相學(xué)習(xí)的過程,你不會(huì)的操作需要尋求別人的幫助,這是鍛煉我們合作能力和學(xué)習(xí)能力的過程。仿真軟件能更直觀的讓我們了解相關(guān)電路,在我們以后的學(xué)習(xí)和工作中也會(huì)起到重要作用,這次實(shí)驗(yàn)是一次良好的預(yù)習(xí)機(jī)會(huì)。 參考文獻(xiàn)1萬山明,吳芳.開關(guān)電源(Buck電路)的小信號(hào)模型及環(huán)路設(shè)計(jì)J. 電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.2楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.03.3占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M.北京:電
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