基于PI控制方式的7A開關(guān)電源的MATLAB仿真

1、基于PI控制方式的7A開關(guān)電源的MATLAB仿真基于PI控制方式的7A開關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院:電氣與光電工程學(xué)院專業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化目錄0 緒論 - 3 1 設(shè)計(jì)要求 - 3 2 主電路參數(shù)計(jì)算 - 3 2.1 電容參數(shù)計(jì)算 - 4 2。2 電感參數(shù)計(jì)算 - 43 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) - 5 3。1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 5 3。2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 - 64 負(fù)載突加突卸 - 9 4。1滿載運(yùn)行 - 10 4.2突加突卸80負(fù)載 - 10 4。3 電源擾動(dòng)20% - 115 小結(jié) - 13 參考文獻(xiàn) - 131、 緒論隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展對電源的要求也不斷的提高,開環(huán)的電源應(yīng)該說早就

2、不能滿足要求，無論是在輸出參數(shù)的精度還是抗干擾能力方面都比不上閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了使某個(gè)控制對象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個(gè)負(fù)反饋。粗略的講，只要使用一個(gè)高增益的反相放大器,就可以達(dá)到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的.但就一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)而言,對于負(fù)載的突變、輸入電壓的突升或突降、高頻干擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠穩(wěn)、準(zhǔn)、快地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復(fù)雜了.要同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求，這就需要一定的技巧,設(shè)計(jì)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。本文將通過MATLAB用

3、實(shí)例來研究PI控制器的調(diào)節(jié)作用。2、 BUCK總電路設(shè)計(jì)Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯ぁ霕?、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負(fù)載電流的要求,設(shè)計(jì)主功率電路,并采用單電壓環(huán)、電流電壓雙環(huán)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。2。1技術(shù)指標(biāo)輸入直流電壓（VIN）：10V輸出電壓（VO):5V;輸出電流(IN)：7A;輸出電壓紋波(Vrr）：50mV；基準(zhǔn)電壓（Vref):1.5V；開關(guān)頻率（fs):100kHz.2。2主電路參數(shù)計(jì)算Buck變換器主電路如圖（1）所示，其中Rc為電容的等效電阻。圖(1)（1）濾波電容參數(shù)計(jì)算 輸出紋波電壓只與電容C的大小有關(guān)及Rc有關(guān):

4、 (1）將，IN=7A帶入得，電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，而且ESR隨著電容的容量和耐壓變化很大，但是C與Rc的乘積趨于常數(shù)，約為.本例中取為則：C=2100F。(2）濾波電感參數(shù)計(jì)算 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通與截止時(shí)變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式（2）、（3）所示： （2） （3）假設(shè)二極管的通態(tài)壓降，電感中的電阻壓降，開關(guān)管的導(dǎo)通壓降.又因?yàn)?(4）所以由式(2）、（3)、(4）聯(lián)立可得，并將此值回代式（2），可得L=17。6uH（此處取18uH）。（3） 負(fù)載電阻計(jì)算由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)取時(shí),電感電流在6。2A7。6A之間脈動(dòng),符合的要求圖(2)3、 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1原始系統(tǒng)的

5、設(shè)計(jì)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(shè)PWM鋸齒波幅值為Vm=1。5V,采樣電阻Rx=3k，Ry=1。3k。采樣網(wǎng)絡(luò)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=0.000150 2;den=0。000000037 0。000025 1；g0=tf(num,den）；bode（g0)；margin(g0)；圖(3) 如圖所得,該系統(tǒng)相位裕度40。5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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)

6、計(jì)算采用如圖（4）所示的PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 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(gòu)成控制量.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(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時(shí)，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(shí)間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài).圖（4）采樣電壓為1.5V則取采樣電阻R6、R7分別為3K和1。3K。如圖所示我采用的是MATLAB自帶的PI調(diào)節(jié)器，查用戶手冊得到其傳遞函數(shù)為：則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：設(shè)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1/5較為恰當(dāng).本次取=15kh

7、z,則穿越頻率。將數(shù)據(jù)代入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(shí)較為理想。則PI傳遞函數(shù)為:繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖,程序如下：num=40e5 20；den=2e5，0；g=tf(num,den)；margin（g）圖（5）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=0。000150 2；den=0。000000037 0。000025 1；g0=tf(num，den）；bode（g0)；margin(g0)；hold onnum=40e5 20;den=2e5，0；g=tf(num,den）;margin(g);hold

8、onnum=0。000152;den=0.000000037 0。00002 1;f=tf(num，den）;num1=40e5 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: 圖(6）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(fù)載突加突卸4。1滿載運(yùn)行滿載運(yùn)行的電路圖如圖(4）所示,仿真結(jié)果如圖(7）所示.圖（7)4。2突加突卸80%負(fù)載計(jì)算參數(shù):負(fù)載突加突卸電路圖如圖（8）圖（8）仿真

9、結(jié)果如圖（9)所示圖(9)由仿真圖可以看出系統(tǒng)具有較好的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。4.3電源擾動(dòng)為系統(tǒng)電源加上20%的變化擾動(dòng)，即電源電壓變?yōu)?和12，電路圖（10）如下 圖（10）電源擾動(dòng)仿真結(jié)果如圖(11)所示圖(11）由仿真圖的擾動(dòng)波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動(dòng)的能力,符合設(shè)計(jì)要求。5、 小結(jié)本次電源設(shè)計(jì)在BUCK電路原理的基礎(chǔ)上建立了小信號等效電路模型，并通過對PI控制器的設(shè)計(jì)，以及使用MATALAB對電路進(jìn)行仿真，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并通過負(fù)載突加突卸對電路的抗干擾性進(jìn)行了驗(yàn)證.完成了這次研究論文我對BUCK電路有了更為深刻的認(rèn)識，可以較為熟練的使用MATLAB軟件對電路進(jìn)行仿真研究,

10、對MATALAB也有了一定的了解，可以通過它來精確繪制傳遞函數(shù)的伯德圖.對于這次的研究讓我們更加懂得了學(xué)好這們功課的重要性,并且也要有足夠的自學(xué)能力.在這次研究中，我遇到了很多的難題,但是在最后通過與同學(xué)的交流和上網(wǎng)查找資料及圖書館翻閱圖書，最后終于把這些難題搞懂了。我深刻的認(rèn)識到要真正掌握知識就要學(xué)會如何熟練地運(yùn)用它。平時(shí)上課，我們不能只注重課本上的知識的吸收,更要運(yùn)用于實(shí)際，學(xué)好本專業(yè),也有利于我們將來的工作參考文獻(xiàn)1張衛(wèi)平等。開關(guān)變換器的建模與控制M。北京：中國電力出版社,2006。01。2萬山明,吳芳。開關(guān)電源（Buck電路）的小信號模型及環(huán)路設(shè)計(jì)J。 電源技術(shù)應(yīng)用,2004，7(3）：142145.3楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.03。4張占松,蔡宣三。開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M。北京:電子工業(yè)出版社,1999:176184.5王兆安,黃俊.電力電子技