開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u28671開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例 1165301.1控制方法的選擇 1234271.1.1電流型控制 139371.1.2電壓型控制 396421.2PI調(diào)節(jié)器參數(shù)確定 4197991.2.1頻域分析法 4220531.2.2MATLAB軟件自動(dòng)整定法 5158521.2.3湊試法 5在檢測(cè)時(shí)，線性電源和開(kāi)關(guān)電源均需要檢測(cè)負(fù)載電壓，因此，設(shè)置閉環(huán)控制的目的就是維持負(fù)載電壓的恒定，而負(fù)載電流可以在較大的范圍內(nèi)變動(dòng)。閉環(huán)控制還可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高輸出電壓和電流的穩(wěn)定性和精確度。1.1控制方法的選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中及其重要，而控制方法的選擇又在閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用，如果控制方法選擇的不合理，會(huì)導(dǎo)致電源的輸出響應(yīng)速度慢，輸出精度低以及電源工作的不穩(wěn)定等。因此，設(shè)計(jì)者需要明確幾種閉環(huán)控制電路的之間的差別，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合提出的不同要求做到對(duì)癥下藥。下面是對(duì)常用的兩種控制方法的介紹和比較。1.1.1電流型控制所謂電流型控制，就是將閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以電流控制環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓控制環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)分別主要起維持輸出電流和電壓的穩(wěn)定性與精確性的作用。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置成電流型控制時(shí)，就是將要求電源輸出的電壓與電源實(shí)際輸出的電壓比較后產(chǎn)生的結(jié)果經(jīng)放大器后作為電流比較器的閾值，因此，如果電壓誤差信號(hào)較大，則電流的閾值就較大，使電源的輸出功率的增加。(1)電流控制內(nèi)環(huán)由圖3.2可知，可以得出Buck電路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： (1.1)電流控制環(huán)的傳遞函數(shù)為： (1.2)電流控制環(huán)的系統(tǒng)框圖如圖3.4所示：圖3.4電流控制環(huán)系統(tǒng)框圖則電流環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： (1.3)電流環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (1.4)（2）電壓控制外環(huán)電壓控制環(huán)的傳遞函數(shù)為 (1.5)電流型控制系統(tǒng)框圖如圖3.5所示：圖3.5閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖由圖3.2可知： (1.6)由上圖可知： (1.7) (1.8)1.1.2電壓型控制與電流型控制不同的是，電壓型控制中沒(méi)有輸出電流的反饋環(huán)節(jié)，要求電源輸出的電壓與電源實(shí)際輸出電壓通過(guò)比較后經(jīng)放大器直接輸入給PWM控制器。若電壓誤差信號(hào)增大，則PWM控制器產(chǎn)生的矩形脈沖變寬；若誤差信號(hào)變小，則PWM控制器產(chǎn)生的矩形脈沖相應(yīng)也變窄，由此來(lái)控制輸出電壓的大小，電壓型控制的系統(tǒng)框圖如圖3.6所示：由電流型控制中的傳遞函數(shù)可知： (1.9)圖3.6電壓型控制系統(tǒng)框圖則電壓型控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： (1.10)電壓型控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (1.11)采用電壓型控制時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般情況下等效為二階或者三階模型，故電流型控制與其相比，電流型控制在響應(yīng)時(shí)，動(dòng)態(tài)性能上有較大的改善，但電流型控制又比電壓型控制多加入了負(fù)載電流的反饋環(huán)節(jié)。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就變得更加復(fù)雜。根據(jù)開(kāi)關(guān)電源要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，在使用電壓型控制時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)就可以滿足要求了，為了減少電路的復(fù)雜程度與元器件的使用數(shù)量，本設(shè)計(jì)中采用電壓型控制。在設(shè)計(jì)中，電壓控制環(huán)采用PI調(diào)節(jié)方式，它是一種串聯(lián)校正方式，經(jīng)過(guò)校正后，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)等于PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)與Buck變換器的傳遞函數(shù)的乘積。1.2PI調(diào)節(jié)器參數(shù)確定在閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，確定PI參數(shù)時(shí)，通常有三種方法：頻域分析法、MATLAB軟件自動(dòng)整定法和試湊法。1.2.1頻域分析法使用頻域分析法確定PI參數(shù)，就是利用《自動(dòng)控制原理》中的相角裕度和增益裕度來(lái)進(jìn)行求解。(1)相角裕度：在穿越頻率這一點(diǎn)，對(duì)應(yīng)相差的角度稱為相角裕度。(2)增益裕度：在相頻特性等于的頻率處，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)幅頻特性的倒數(shù)稱為增益裕度。適當(dāng)?shù)谋３衷６纫话憧梢员苊庀到y(tǒng)中由于元器件的性能的改變帶來(lái)的不良干擾，在工程設(shè)計(jì)中，為了獲得系統(tǒng)要求的暫態(tài)響應(yīng)，對(duì)和的一般要求如下： 根據(jù)開(kāi)環(huán)幅頻特性在穿越頻率點(diǎn)的增益為1，即在穿越頻率點(diǎn)對(duì)信號(hào)沒(méi)有放大作用，僅僅是對(duì)信號(hào)的復(fù)現(xiàn)及對(duì)相角裕度的要求列方程即可求解和。1.2.2MATLAB軟件自動(dòng)整定法MATLAB軟件自動(dòng)整定法原理與頻域分析法相似，只是軟件整定法是通過(guò)事先編制的代碼來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，主要步驟為：(1)首先確定模型的輸入輸出數(shù)據(jù)，即給定系統(tǒng)的輸入和仿真得到系統(tǒng)的誤差和給定系統(tǒng)的輸入，之后基于小信號(hào)分析法，讓輸入信號(hào)進(jìn)行階躍改變，MATLAB會(huì)顯示改變后的輸出值，通過(guò)輸出響應(yīng)的波形，MATLAB即可得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型——Buck變換器的傳遞函數(shù)。(2)根據(jù)變換器的性質(zhì)選擇模型的結(jié)構(gòu)。(3)最后調(diào)節(jié)帶寬和相位裕度，一般選擇在頻域中進(jìn)行調(diào)節(jié)。帶寬一般設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的左右。對(duì)調(diào)節(jié)相位裕度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，若相位裕度越小，則系統(tǒng)震蕩的越厲害，但響應(yīng)速度會(huì)很快，反之亦然，因此，要權(quán)衡好這兩方面的利弊。1.2.3湊試法湊試法，即按照先后，先小后大的原則進(jìn)行整定，不斷試驗(yàn)，直到系統(tǒng)的響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的要求，將最后的這組數(shù)據(jù)作為最終和的值。湊試法的詳細(xì)步驟如下：(1)首先整定的是比例調(diào)節(jié)系數(shù)，即先將PI調(diào)節(jié)器的和的值設(shè)定為0，然后按照從小到大的順序依次設(shè)定的值，同時(shí)注意觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，直到出現(xiàn)使得系統(tǒng)的響應(yīng)快、超調(diào)小的為止，雖然此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線會(huì)有一定的靜態(tài)誤差，但僅僅改變比例調(diào)節(jié)系數(shù)是無(wú)法達(dá)到將靜態(tài)誤差減小到理想的值的，這時(shí)就需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)系數(shù)。(2)將上一步調(diào)節(jié)好的進(jìn)行細(xì)微