何 芳，丁潤祥

(濱州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256603)

電壓控制模式是一種控制電壓輸出的技術(shù)，這種技術(shù)在20世紀(jì)穩(wěn)壓電源發(fā)展的開始階段就已得到應(yīng)用，我國的直流穩(wěn)壓電源在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)起步研究[1]，至今為止在開關(guān)頻率和電源單機功率等方面已經(jīng)取得了長足進(jìn)步[2-4]。電壓反饋控制電源技術(shù)能為各種電子產(chǎn)品提供穩(wěn)定的直流電源，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、電子信息、智能制造等方面[5]。因此研究控制效果更好的電源控制方法和控制器設(shè)計具有重要的意義。

PSIM(Power Simulation)是面向電力電子領(lǐng)域以及電機控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件，它具有模擬高速、用戶界面友好等特點，能為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)的設(shè)計、電機驅(qū)動研究等提供有效的模擬環(huán)境。PSIM還具有強大的模擬引擎，它的高效算法克服了許多其他模擬軟件在容易收斂失敗、模擬時間長等方面的問題。PSIM軟件中的SimCoder模塊為自動代碼生產(chǎn)模塊，它能將控制電路原理圖自動生產(chǎn)C程序代碼以應(yīng)用于DSP控制器，加快了設(shè)計流程，縮短了數(shù)控直流電源開發(fā)時間并降低了成本。因此本文利用PSIM平臺設(shè)計了一種基于SimCoder的電壓反饋控制穩(wěn)壓直流電源電路。

1 電壓反饋控制電路分析

穩(wěn)定電路是無論輸入信號變化還是負(fù)荷發(fā)生變化，輸出信號都幾乎不會變化的電源電路[6]。穩(wěn)定電路種類很多，根據(jù)輸出電流的種類分為直流穩(wěn)定電路和交流穩(wěn)定電路兩種；根據(jù)穩(wěn)定電路和負(fù)載的連接方式來分為串聯(lián)和并聯(lián)穩(wěn)定電路兩種。

閉環(huán)(閉環(huán)結(jié)構(gòu))也叫反饋控制系統(tǒng)，其工作原理是：采集輸出的信號值并將其和預(yù)設(shè)的給定值做對比，通過對比雙方差異，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使差異減小，輸出信號接近給定值。為提高輸出的精度和動態(tài)響應(yīng)特性，反饋控制環(huán)路的參數(shù)補償器可以采用TYPE3補償器或PI補償器。對這兩種補償器的原理分析如下。

1.1 TYPE3補償器的分析

控制電路就是將電源器主電路的輸出信號與電壓斜坡信號進(jìn)行比較，輸出一定的占空比信號，以調(diào)節(jié)開關(guān)的狀態(tài)，從而使得輸出電壓恒定。其中TYPE3補償器模塊的傳遞函數(shù)可表示為

其中：Tz1=1/ωz1，Tz2=1/ωz2，Tp1=1/ωp1，Tp2=1/ωp2。

TYPE3控制器具有兩個零點和兩個極點，極點為fz1=ωz1/(2π)，fz2=ωz2/(2π)，零點為fp1=ωp1/(2π)，fp2=ωp2/(2p)。兩個零點的頻率一樣，在同一位置；兩個極點的頻率一樣，在同一位置。

1.2 PI調(diào)節(jié)器的分析

PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。它分為比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的作用是以減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度?？偟膩碚f，在控制工程實踐中，PI控制器主要是用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

PI控制器的傳遞函數(shù)定義為G(s)=k×(1+sT)/(sT)。

2 仿真模型與波形

主電路仿真模型及參數(shù)設(shè)置如圖1所示。輸入電壓為50 V，要求設(shè)計一個最大輸出功率為100 W的單環(huán)電壓反饋控制降壓型穩(wěn)壓直流電源，其輸出電壓穩(wěn)定在24 V。

圖1 主電路模型

為模擬輸出負(fù)載功率變化，負(fù)載用兩個電阻RL1和RL2(均為24×24/50 Ω)通過電子開關(guān)SS1和階躍信號VST進(jìn)行并聯(lián)。在階躍時間點之前僅RL1工作，此時直流電源輸出的功率為50 W，在階躍時間點時，控制雙向電子開關(guān)SS1閉合，將RL1和RL2并聯(lián)，此時直流電源輸出的功率變成100 W。RC1和RC2為緩沖吸收電路。模型中IIN、VIN、PWM、IL、VOUT均通過“Label”標(biāo)簽引出，方便繪制電路。IIN與IL為電流傳感器，通過更改參數(shù)可以使電流獲得不同增益，并傳遞給控制電路，電流傳感器的內(nèi)阻為1 Ω。VIN與VOUT則為電壓傳感器，通過更改參數(shù)可以使電壓獲得不同增益，并傳遞給控制電路。PWM(脈沖寬度調(diào)制)是一種模擬控制方式，通過采集相應(yīng)的控制信號的變化來調(diào)整晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來達(dá)到控制晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的目的，從而改變開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出。

2.1 基于TYPE3補償器的控制電路設(shè)計分析

控制環(huán)路仿真模型及參數(shù)如圖2所示。其中主要控制器采用TYPE3補償器，其參數(shù)設(shè)置已在圖中標(biāo)示，由于輸出電壓為24 V是通過電壓傳感器采樣后縮小了0.024倍輸出，故Vref=0.024×24=576 mV。限制器LIM1是通過設(shè)置限制器上下限來穩(wěn)定輸出，當(dāng)輸出超過限制器范圍時，則將輸出限制為限制器的上下限。降壓器主電路輸出電壓經(jīng)電壓傳感器采樣后和電壓Vref一起送入TYPE3，其輸出信號經(jīng)限幅器LIM1，限制在0～5 V，然后與鋸齒波載波信號fsw比較得到一定占空比的PWM信號，調(diào)節(jié)MOS管的導(dǎo)通情況，從而實現(xiàn)逐步調(diào)整系統(tǒng)電壓到期望的參考設(shè)置值上。

圖2 TYPE3補償器控制環(huán)路模型

設(shè)置仿真控制步長為2.5 μs，仿真時間為0.06 s，輸出波形如圖3所示。經(jīng)過較短時間的振蕩后電壓穩(wěn)定，并且直流電源輸出電壓穩(wěn)定在期望值24 V。當(dāng)功率從50 W突變到100 W時，輸出電源出現(xiàn)微小的跌落，但在控制環(huán)路的自動調(diào)節(jié)下，快速穩(wěn)定在24 V。

圖3 TYPE3補償器控制環(huán)路輸出電壓波形

對控制環(huán)路TYPE3補償調(diào)節(jié)的輸出和限幅器LIM1之間添加AC Sweep掃描，可得到其頻率特性響應(yīng)曲線，系統(tǒng)的增益裕量為18.28 dB，相位裕量約為45°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

2.2 修改TYPE3參數(shù)后對輸出的影響

對TYPE3控制補償器參數(shù)進(jìn)行修改以研究其參數(shù)對輸出電壓波形的影響(輸出電壓為24 V)，見表1。

表1 控制器參數(shù)對輸出電壓波形的影響

對表1進(jìn)行分析后可知：Fz越大電壓趨于平穩(wěn)所需的時間越短，即能更快穩(wěn)定下來，但是0.03 s時增加一個負(fù)載，電壓波動的時間更長;Fp越大0.03 s之前趨于平穩(wěn)所需的時間越短，但0.03 s增加一個負(fù)載后波動時間變長。

2.3 輸出電壓的大小和穩(wěn)定響應(yīng)控制分析

通過分析主電路及控制環(huán)路得出：電壓Vref的參數(shù)設(shè)置影響輸出電壓的大小(輸出電壓=Vref/0.024)；TYPE3補償調(diào)節(jié)器的參數(shù)影響輸出電壓波形的達(dá)到平穩(wěn)的時間，增加負(fù)載后的電壓波動及恢復(fù)平穩(wěn)所需的時間。因此通過改變電壓Vref的參數(shù)設(shè)置輸就可以滿足輸出電壓的可調(diào)節(jié)的要求。

2.4 開環(huán)控制電路

開環(huán)系統(tǒng)也被稱為“無反饋系統(tǒng)”。系統(tǒng)的輸出與輸入直接相關(guān)，在系統(tǒng)不變的情況下，輸入不變，輸出不變；輸入變化，輸出隨之改變。沒有反饋的回路，輸出不會影響輸入。開環(huán)模擬控制的降壓電源器仿真波形如圖4所示。

圖4 開環(huán)控制電路輸出電壓波形

通過對比圖3和圖4可知，開環(huán)輸出電壓波形達(dá)到24 V的穩(wěn)定電壓大約需要0.05 s；而基于TYPE3控制環(huán)路的電壓反饋電路的輸出電壓波形在接通后0.005 s就達(dá)到24 V，并且電壓穩(wěn)定，其電壓穩(wěn)定所需時間是開環(huán)的1/10，優(yōu)勢明顯。

2.5 基于PI補償調(diào)節(jié)器的控制電路

其控制環(huán)路仿真模型及參數(shù)與基于TYPE3補償器的控制電路類似，將TYPE3補償器改為PI補償器，并設(shè)置其增益Kgain=843.2×10-3，Ti=2.32×10-3。得到的仿真波形如圖5所示。

圖5 PI控制環(huán)路輸出電壓波形

通過對比圖3和圖5可知，基于TYPE3控制環(huán)路的輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定需要0.005 s，在0.03 s時改變負(fù)載電路，系統(tǒng)的輸出電壓發(fā)生很小的波動，波動時間極短；PI補償器達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定需要0.02 s，但當(dāng)改變負(fù)載后需要0.01 s的時間才能恢復(fù)穩(wěn)定。而基于TYPE3控制環(huán)路的輸出電壓基本不受負(fù)載變化的影響，由此可見，TYPE3補償器比PI補償器性能更好。

2.6 基于TYPE3調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)電流反饋的恒流控制電路

前面都是為了電壓的穩(wěn)定，通過電壓反饋，使電路的輸出無論是剛接通，還是增加負(fù)載后，電壓都能夠穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，達(dá)到電壓反饋控制電壓的目的。同樣將TYPE3調(diào)節(jié)器應(yīng)用于恒流電源設(shè)計，也可使輸出的電流相對穩(wěn)定。其控制環(huán)路仿真模型與圖3相似，將電壓反饋信號改為電流信號。并設(shè)置仿真控制步長為2.5 μs，仿真總時間為1 s，仿真輸出的電流波形的變化太大，無法穩(wěn)定且諧波較多，無法滿足預(yù)期要求。

為此對主電路部分進(jìn)行改造，在L1與IL中間加入RLC濾波電路，參數(shù)設(shè)置為R=20，L=2000×10-6，C=2000×10-6。最后得到仿真波形如圖6所示。通過波形分析，波形可以滿足預(yù)期目標(biāo)。

圖6 改進(jìn)的功率變換電路輸出電流波形

3 結(jié)論

本文利用PSIM軟件設(shè)計了電壓反饋降壓電源器的模擬電路?？刂破髂Ｐ筒捎肨YPE3控制補償器并與開環(huán)控制、PI控制電路進(jìn)行了對比，結(jié)果表明TYPE3控制補償器控制電路輸出能更快地達(dá)到預(yù)設(shè)值，且更加穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上又對電路輸出電壓可調(diào)性進(jìn)行分析，并設(shè)計了采用TYPE3調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)電流反饋的恒流控制電路和必要的濾波電路，通過電流仿真波形分析，得出該系統(tǒng)能夠達(dá)到恒流輸出的目的。