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文檔簡介

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仿真研究學院:電氣與光電工程學院專業(yè):電氣工程及其自動化 班級: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、檢測電路、輔助電源四大部份組成。電源是組成各種電子設備的最基本部分,每個電子設備均會要求有一個穩(wěn)定可靠的直流電源來供給設備的各種信號處理電路的直流偏置,以期達到各信號處理電路能穩(wěn)定可靠的工作。由于計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展,數(shù)字信號的控制和處理顯示出越來越多的優(yōu)

2、點:便于計算機處理和控制,避免模擬信號傳遞畸變失真,減少雜散信號的干擾,軟件調(diào)試方便等。例如,已知主電路的時間常數(shù)較大、響應速度相對緩慢,如果控制的響應速度也緩慢,使得整個系統(tǒng)對外界變量的響應變得很遲緩;相反如果加快控制器的響應速度,則又會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。所以,開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計要同時解決穩(wěn)、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求,這就需要一定的技巧,設計出合理的控制器,用控制器來改造控制對象的特性。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。本次實驗是以PD控制下的開關(guān)電源PSIM仿真。2.Buck變換器主電路設計圖2.1 Buck主電路

3、圖2.1技術(shù)指標:輸入直流電壓():10V;輸出電壓():5V;輸出電流():10A;輸出電壓紋波():50mV;基準電壓():1.5V;開關(guān)頻率():100kHz2.2主電路各參數(shù)計算 (1)濾波電容參數(shù)計算 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)濾波電感的計算根據(jù)基爾霍夫電壓方程可知,開關(guān)管S閉合與導通狀態(tài)輸入電壓和輸出電壓滿足如下關(guān)系: (2)假設穩(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 電感電流脈動當電感L=13uH,電感中的電流在7.3-9.35A之間,符合的設計要求,并且理論分析與仿真結(jié)果一樣。圖2.3 輸出電壓脈動當電感L=13uH,電感中的電流在5v左右,符合設計要求,并且理論分析與仿真結(jié)果一樣。2.3采用參數(shù)掃描法,對所設計的主功率電路進行仿真當L=25uH時,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L=5uH時,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L=5uH或25uH時,電感中電流紋波和輸

5、出電壓紋波較大,調(diào)節(jié)時間較長;當L=13uH時,電感電流紋波最合適,波動較小,所以選擇L=13uH,理論分析和計算機仿真結(jié)果是一致的。3.有關(guān)計算3.1原始回路有關(guān)計算1.采用小信號模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)為: (4)假設PFM鋸齒波幅值=1.5V,=3,=1.325,由此可得采用網(wǎng)絡傳遞函數(shù) ,原始回路直流增益。計算如下: 極點頻率根據(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補償網(wǎng)絡設計(1) PD補償網(wǎng)絡如圖3.2.1: 圖3.2.1 PD補償網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖PD補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為: , , , (2)確定補償網(wǎng)絡的參數(shù)為了提高穿越頻率,加入補償網(wǎng)絡后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率在之間。 相位裕度在之間,設相位裕度,PD補償網(wǎng)絡的零、極點頻率計算公式為:所以 , PD補償網(wǎng)絡直流增益為:則根據(jù)PD補償網(wǎng)絡的傳遞函數(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補償網(wǎng)絡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補償網(wǎng)絡Bode圖相位裕度在之間由圖知:,滿足要求3.3補償網(wǎng)絡電路中參數(shù)的計算 設,可得,(取,) 負載突加滿載: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 仿真圖負載突加卸載80%負載: 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

9、電源加20%的擾動即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)的抗擾動能力較好,符合設計要求。效果較好。5.個人小結(jié)通過本次開關(guān)電源設計,我們更加深刻的理解了buck電路,在自己實踐的同時也印證了課本里學習的重點知識,也讓我們知道了學習的重要性,設計是一項十分考驗知識水平和個人運用能力的綜合訓練。在設計是我們遇到了很多的平時不了解的方面,也在運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,設計的同時并沒有單獨的用到電源的知識,也用到了相關(guān)科目的知識,對我們綜合的能力也

10、有了很高的要求,當然在設計的同時也得到了同學們的幫助和幫忙,在探討下得以完成了這門課。在設計電路這個考驗運用和分析的過程中,更充分的了解到了溫故而知新的意義所在。對于仿真軟件的應用,從安裝到熟悉基本操作的過程是自學和互相學習的過程,你不會的操作需要尋求別人的幫助,這是鍛煉我們合作能力和學習能力的過程。仿真軟件能更直觀的讓我們了解相關(guān)電路,在我們以后的學習和工作中也會起到重要作用,這次實驗是一次良好的預習機會。 參考文獻1萬山明,吳芳.開關(guān)電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設計J. 電源技術(shù)應用,2004,7(3):142-145.2楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.03.3占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設計M.北京:電

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