PI控制方式的6A开关电源PSIMWord文件下载.docx
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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：
（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
。
本例中取为
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：
（2）
（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
（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
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：
假设PWM锯齿波幅值为Vm=1.5V，采样电阻R1=3.5kΩ，Ry=1.5kΩ。
采样网络的传递函数为：
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=[0.0001502.0];
den=[0.00000003750.00002531];
g0=tf（num,den）;
bode（g0）;
margin（g0）;
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
将系统调节到无差状态。
图6
PI补偿网络传递函数为：
其中
，
系统总的传递函数为：
设穿越频率为
，则系统的对数幅频特性为：
其中
，振荡阻尼系数
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。
本次取
=15khz，则穿越频率
将数据代入
相位裕度
一般相位裕度为：
则
取
k=20.
则PI传递函数为：
绘制PI传递函数伯德图如图7所示，程序如下：
num=[0.0004220];
den=[0.000021,0];
g=tf（num,den）;
margin（g）;
图7
通过matlab绘制系统伯德图如图8所示，程序如下：
num=[0.0001502.0];
den=[0.00000003750.00002531];
g0=tf（num,den）;
bode（g0）;
margin（g0）;
holdon
num=[0.0004220];
den=[0.0000210];
g=tf（num,den）;
margin（g）;
f=tf（num,den）;
num1=[0.0004220];
den1=[0.0000210];
g=tf（num1,den1）;
num2=conv（num,num1）;
den2=conv（den,den1）;
margin（num2,den2）；
图8
由图可得系统的相位裕度为54.6度，穿越频率为14.6khz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。
总的传递函数为：
2.6参数计算及电路仿真
一、80%的负载突加突卸电路参数计算：
（1）满载运行：
电路如图9所示，仿真结果如图10、11所示。
图9
图10
图11
（2）突加突卸80%负载：
电路如图12所示。
仿真结果如图13、14所示。
图12
图13
图14
突加80%负载电压有0.2v的波动，恢复时间为0.15ms，对负载的扰动PI调节具有一定的调节能力，恢复时间较短。
二、电源扰动
电源扰动20%，电压变化范围8~12V.
电路如图15所示，电压仿真结果如图16所示，电压变化如图17所示。
图15
图16
图17
当电源出现20%的扰动时，电压变化不足0.1v，系统对电源的扰动具有良好的抗干扰能力。
小结
四个多星期的开关电源仿真研究，使我了解了Buck变换器基本结构及工作原理，掌握了电路器件选择和参数的计算，并且学会使用PSIM仿真软件对所设计的开关电源进行仿真。
在此过程中复习了自控所学的知识，对闭环控制有了更直观的了解，同时也意识到自己学的知识还不够扎实，当真正运用于实际问题的时候就出现了困难，理论与实际相结合是非常重要的。
平时能真正动手去做的事情还是比较少的，大多是理论知识的学习，拥有这次机会去对开关电源进行仿真研究，让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。
这次学习学到的不仅仅是开关电源的仿真，还让我接触使用了matlab，相信对以后的学习研究也有帮助。
参考文献
[1]张占松主编《开关电源技术教程》机械工业出版社，2012
[2]王兆安，黄俊主编《电力电子技术》机械工业出版社，2000
[3]黄忠霖，周向明主编《控制系统MATLAB计算及仿真实训》国防工业出版社
[4]陈丽兰主编《自动控制原理》电子工业出版社，2006
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