基于SimCoder的電壓反饋控制降壓電源器設計

何 芳，丁潤祥

(濱州學院 電氣工程學院，山東 濱州 256603)

電壓控制模式是一種控制電壓輸出的技術，這種技術在20世紀穩壓電源發展的開始階段就已得到應用，我國的直流穩壓電源在20世紀60年代就已經起步研究[1]，至今為止在開關頻率和電源單機功率等方面已經取得了長足進步[2-4]。電壓反饋控制電源技術能為各種電子產品提供穩定的直流電源，廣泛應用于汽車行業、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計具有重要的意義。

PSIM(Power Simulation)是面向電力電子領域以及電機控制領域的仿真應用包軟件，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、控制系統的設計、電機驅動研究等提供有效的模擬環境。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模塊，它能將控制電路原理圖自動生產C程序代碼以應用于DSP控制器，加快了設計流程，縮短了數控直流電源開發時間并降低了成本。因此本文利用PSIM平臺設計了一種基于SimCoder的電壓反饋控制穩壓直流電源電路。

1 電壓反饋控制電路分析

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

閉環(閉環結構)也叫反饋控制系統，其工作原理是：采集輸出的信號值并將其和預設的給定值做對比，通過對比雙方差異，對系統進行調節，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響應特性，反饋控制環路的參數補償器可以采用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行比較，輸出一定的占空比信號，以調節開關的狀態，從而使得輸出電壓恒定。其中TYPE3補償器模塊的傳遞函數可表示為

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調節器的分析

PI調節器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。它分為比例環節和積分環節，比例環節的作用是以減少偏差。積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。總的來說，在控制工程實踐中，PI控制器主要是用來改善控制系統的穩態性能。

PI控制器的傳遞函數定義為G(s)=k×(1+sT)/(sT)。

2 仿真模型與波形

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

圖1 主電路模型

為模擬輸出負載功率變化，負載用兩個電阻RL1和RL2(均為24×24/50 Ω)通過電子開關SS1和階躍信號VST進行并聯。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SS1閉合，將RL1和RL2并聯，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”標簽引出，方便繪制電路。IIN與IL為電流傳感器，通過更改參數可以使電流獲得不同增益，并傳遞給控制電路，電流傳感器的內阻為1 Ω。VIN與VOUT則為電壓傳感器，通過更改參數可以使電壓獲得不同增益，并傳遞給控制電路。PWM(脈沖寬度調制)是一種模擬控制方式，通過采集相應的控制信號的變化來調整晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來達到控制晶體管或MOS管導通時間的目的，從而改變開關穩壓電源的輸出。

2.1 基于TYPE3補償器的控制電路設計分析

控制環路仿真模型及參數如圖2所示。其中主要控制器采用TYPE3補償器，其參數設置已在圖中標示，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是通過設置限制器上下限來穩定輸出，當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電壓傳感器采樣后和電壓Vref一起送入TYPE3，其輸出信號經限幅器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，調節MOS管的導通情況，從而實現逐步調整系統電壓到期望的參考設置值上。

圖2 TYPE3補償器控制環路模型

設置仿真控制步長為2.5 μs，仿真時間為0.06 s，輸出波形如圖3所示。經過較短時間的振蕩后電壓穩定，并且直流電源輸出電壓穩定在期望值24 V。當功率從50 W突變到100 W時，輸出電源出現微小的跌落，但在控制環路的自動調節下，快速穩定在24 V。

圖3 TYPE3補償器控制環路輸出電壓波形

對控制環路TYPE3補償調節的輸出和限幅器LIM1之間添加AC Sweep掃描，可得到其頻率特性響應曲線，系統的增益裕量為18.28 dB，相位裕量約為45°，滿足系統穩定性要求。

2.2 修改TYPE3參數后對輸出的影響

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

表1 控制器參數對輸出電壓波形的影響

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

2.3 輸出電壓的大小和穩定響應控制分析

通過分析主電路及控制環路得出：電壓Vref的參數設置影響輸出電壓的大小(輸出電壓=Vref/0.024)；TYPE3補償調節器的參數影響輸出電壓波形的達到平穩的時間，增加負載后的電壓波動及恢復平穩所需的時間。因此通過改變電壓Vref的參數設置輸就可以滿足輸出電壓的可調節的要求。

2.4 開環控制電路

開環系統也被稱為“無反饋系統”。系統的輸出與輸入直接相關，在系統不變的情況下，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。開環模擬控制的降壓電源器仿真波形如圖4所示。

圖4 開環控制電路輸出電壓波形

通過對比圖3和圖4可知，開環輸出電壓波形達到24 V的穩定電壓大約需要0.05 s；而基于TYPE3控制環路的電壓反饋電路的輸出電壓波形在接通后0.005 s就達到24 V，并且電壓穩定，其電壓穩定所需時間是開環的1/10，優勢明顯。

2.5 基于PI補償調節器的控制電路

其控制環路仿真模型及參數與基于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控制環路輸出電壓波形

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

2.6 基于TYPE3調節器的單閉環電流反饋的恒流控制電路

前面都是為了電壓的穩定，通過電壓反饋，使電路的輸出無論是剛接通，還是增加負載后，電壓都能夠穩定在預設值，達到電壓反饋控制電壓的目的。同樣將TYPE3調節器應用于恒流電源設計，也可使輸出的電流相對穩定。其控制環路仿真模型與圖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，無法穩定且諧波較多，無法滿足預期要求。

為此對主電路部分進行改造，在L1與IL中間加入RLC濾波電路，參數設置為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，波形可以滿足預期目標。

圖6 改進的功率變換電路輸出電流波形

3 結論

本文利用PSIM軟件設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控制、PI控制電路進行了對比，結果表明TYPE3控制補償器控制電路輸出能更快地達到預設值，且更加穩定。在此基礎上又對電路輸出電壓可調性進行分析，并設計了采用TYPE3調節器的單閉環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，得出該系統能夠達到恒流輸出的目的。