基于PI控制方式的1A開關電源MATLAB仿真研究

1、基于PI控制方式的1A開關電源MATLAB仿真研究 基于PI控制方式的1A開關電源MATLAB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： 目錄0 緒論 - 2 1 設計要求 - 2 2 主電路參數(shù)計算 - 2 2.1 電容參數(shù)計算 - 3 2.2 電感參數(shù)計算 - 33 補償網(wǎng)絡設計 - 4 3.1原始系統(tǒng)的設計 - 4 3.2補償網(wǎng)絡相關參數(shù)計算 - 54 負載突加突卸 - 9 4.1滿載運行 - 9 4.2突加突卸80%負載 - 11 4.3 電源擾動20% - 125 小結 - 13 參考文獻 - 140 緒論開關電源是近年來應用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小

2、、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業(yè)設備、醫(yī)療器械、家用電器等領域應用效果顯著。Buck變換器是最常用的變換器，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)1A負載電流的要求，設計主功率電路。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達到所需的等級，減小其電壓紋波，現(xiàn)設計校正網(wǎng)絡使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。1 設計要求技術指標：輸入直流電壓(VIN)：10V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：1A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz.設計主電路以及校正網(wǎng)絡，使?jié)M

3、足以上要求。2 主電路參數(shù)計算主電路如圖1圖1 Buck電路2.1 電容參數(shù)計算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關通常并未直接給出，但趨于常數(shù)，約為，此處取可得： 2.2 電感參數(shù)計算由基爾霍夫電壓定律可知開關管導通關斷滿足下列方程假設：二極管D的通態(tài)壓降，電感L中的電阻壓降，開關管S導通壓降，其中L中串聯(lián)電阻。可得： 將代入方程組可解的。 占空比: 負載電阻： 由matlab仿真，得圖2，可知當取時，電感電流在0.87A-1.09A之間脈動，符合的要求。圖2 電感電流3 補償網(wǎng)絡設計3.1原始系統(tǒng)的設計采用小信號模型分析方法得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： 假設PWM鋸齒

4、波幅值為Vm=1.5V，采樣電阻Rx=3.5k，Ry=1.5k。采樣網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為： 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所示，MATLAB的程序如下： num=1.5e-4 2; den=3.75e-8 2.5e-5 0.83; g=tf(num,den); margin(g); 圖3 波特圖如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 40.4度，穿越頻率為1.48kHz,所以該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好。需要加入補償網(wǎng)絡使其增大穿越頻率和相位裕度，增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。3.2補償網(wǎng)絡相關參數(shù)計算采用如圖4所示的PI補償網(wǎng)絡。 PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P）、積分(I)環(huán)節(jié)經(jīng)過線性組合構成控制量

5、。稱為PI調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器由于引入了積分環(huán)節(jié)（I）所以在調(diào)節(jié)過程中，當輸入和負載變化迅速時，此環(huán)節(jié)基本沒有作用，但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過足夠長的時間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài)。 圖4 PI補償網(wǎng)絡 采樣電壓為1.5V則取采樣電阻R6、R7分別為3.5K和1.5K。其傳遞函數(shù)為：則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：設穿越頻率為，則系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性為：其中，振蕩阻尼系數(shù)。 為了增加系統(tǒng)的快速性，需要提高穿越頻率，一般穿越頻率以小于較為恰當。本次取=15kHZ，則穿越頻率。將數(shù)據(jù)代得， 相位裕度一般相位裕度為，則 取,將K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20時較為理想。則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)

6、伯德圖5，程序如下： num=40e-5 20; den=2e-5,0; g=tf(num,den); margin(g) 圖5 PI傳遞函數(shù)伯德則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：通過matlab繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：num=1.5e-4 2;den=3.75e-8 2.5e-5 0.83;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=1.5e-4 2;den=3.75e-8 2.5e-5 0.83;f=tf(num,den);num1=40e-5

7、 20;den1=2e-5 0;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)總系統(tǒng)伯德圖如下圖6： 圖6總系統(tǒng)伯德 由圖可以看出矯正后的系統(tǒng)相位裕度，穿越頻率為14.7kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。4 負載突加突卸4.1滿載運行滿載運行的電路圖如圖4所示，仿真結果如圖7所示。 圖7 滿載仿真4.2突加突卸80%負載計算參數(shù)：負載突加突卸電路圖如圖8 圖8負載突加突卸電路仿真結果如圖9所示圖9 仿真結果系統(tǒng)在突加突卸80%負載的時候，電壓約有0.2V的波動，恢復時間約為200s，效果

8、并不很好。4.3 電源擾動20% 1020%=2，即要求電源在8V12V之間擾動。因此采用方波電壓源代替擾動的電壓源，電路圖如圖10所示圖10 電源擾動仿真圖如圖11所示圖11 電源擾動仿真5 小結 通過已學的知識，如自動控制原理，電力電子技術等，并且結合了開關電源技術所學知識，完成了這次的課程設計。本次電源設計在BUCK電路原理的基礎上建立了小信號等效電路模型，并通過對PI控制器的設計，以及使用MATALAB對電路進行仿真，基本實現(xiàn)了預定的目標，并通過負載突加突卸對電路的抗干擾性進行了驗證。完成了這次研究論文我對BUCK電路有了更為深刻的認識，可以較為熟練的使用MATALAB軟件對電路進行仿

9、真研究，可以通過它來精確繪制傳遞函數(shù)的伯德圖。我深刻的認識到要真正掌握知識就要學會如何熟練地運用它，會用會做才是學會。除此之外，此次課程設計還提高了我查閱資料的能力，有些知識并不能在現(xiàn)有書本上找到，需要自己去借閱圖書，上網(wǎng)查找其他的學術文章作為參考。這次的課程設計也為之后的畢業(yè)設計打下了一定的基礎，我從中受益匪淺。參考文獻1張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計M.北京：電子工業(yè)出版社，1999:176184.2王兆安，黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2002:258263. 3胡壽松.自動控制原理M.5版.科學出版社.2008 4王中鮮，趙魁，徐建東.MATLAB建模與仿真應用教程M.2版.機械工業(yè)出版社.2014 5許澤剛，李俊生，郭建江.基于電力電子的虛擬綜合實驗設計與實踐J.電氣電子教學學報.20086張衛(wèi)平等.開關變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版