基于PI控制方式的7A開關電源的MATLAB仿真

1、基于PI控制方式的7A開關電源的MATLAB仿真基于PI控制方式的7A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 目錄0 緒論 - 3 1 設計要求 - 3 2 主電路參數計算 - 3 2.1 電容參數計算 - 4 2.2 電感參數計算 - 43 補償網絡設計 - 5 3.1原始系統(tǒng)的設計 - 5 3.2補償網絡相關參數計算 - 64 負載突加突卸 - 9 4.1滿載運行 - 10 4.2突加突卸80%負載 - 10 4.3 電源擾動20% - 115 小結 - 13 參考文獻 - 131、 緒論隨著電子技術的不斷發(fā)展對電源的要求也不斷的提高，開環(huán)的電源應該說

2、早就不能滿足要求，無論是在輸出參數的精度還是抗干擾能力方面都比不上閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了使某個控制對象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個負反饋。粗略的講，只要使用一個高增益的反相放大器，就可以達到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實際系統(tǒng)而言，對于負載的突變、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、快地做出合適的調節(jié)，這樣就使問題變得復雜了。要同時解決穩(wěn)、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設計出合理的控制器，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MAT

3、LAB用實例來研究PI控制器的調節(jié)作用。2、 BUCK總電路設計Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現以Buck變換器為例，依據不同負載電流的要求，設計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設計控制環(huán)路。2.1技術指標輸入直流電壓(VIN)：10V輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：7A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz。2.2主電路參數計算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)濾波電容參數計算 輸出紋波電壓只與電容C的大小有關及

4、Rc有關： （1）將，IN=7A帶入得，電解電容生產廠商很少給出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，約為。本例中取為則：C=2100F。(2)濾波電感參數計算 當開關管導通與截止時變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式（2）、（3）所示： （2） （3）假設二極管的通態(tài)壓降，電感中的電阻壓降，開關管的導通壓降。又因為 （4）所以由式（2）、（3）、（4）聯立可得，并將此值回代式(2)，可得L=17.6uH（此處取18uH）。（3） 負載電阻計算 由matlab仿真，得圖2，可知當取時，電感電流在6.2A-7.6A之間脈動，符合的要求 圖（2）3、 補償網絡設計

5、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GO(s)為： 假設PWM鋸齒波幅值為Vm=1.5V，采樣電阻Rx=3k，Ry=1.3k。采樣網絡的傳遞函數為： 根據原始系統(tǒng)的傳遞函數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,所以該傳遞函數穩(wěn)定性和快速性均不好。需要加入補償網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

6、性。3.2補償網絡相關參數計算采用如圖（4）所示的PI補償網絡。 PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P）、積分(I)環(huán)節(jié)經過線性組合構成控制量。稱為PI調節(jié)器。這種調節(jié)器由于引入了積分環(huán)節(jié)（I）所以在調節(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)的引入在經過足夠長的時間可以將系統(tǒng)調節(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調節(jié)器，查用戶手冊得到其傳遞函數為：則系統(tǒng)總的傳遞函數為：設穿越頻率為，則系統(tǒng)的對數幅頻特性為：其中，振蕩阻尼系數 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

7、較為恰當。本次取=15khz，則穿越頻率。將數據代入得 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時較為理想。則PI傳遞函數為：繪制PI傳遞函數伯德圖，程序如下： num=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g)圖（5）則系統(tǒng)總的傳遞函數為：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=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,d

8、en);margin(g);hold onnum=0.00015 2;den=0.000000037 0.00002 1;f=tf(num,den);num1=40e-5 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）4.2突加突卸80%負載計算參數

9、：負載突加突卸電路圖如圖（8）圖（8）仿真結果如圖（9）所示圖（9）由仿真圖可以看出系統(tǒng)具有較好的抗負載擾動能力。4.3電源擾動為系統(tǒng)電源加上20%的變化擾動，即電源電壓變?yōu)?和12，電路圖（10）如下 圖（10）電源擾動仿真結果如圖（11）所示圖（11）由仿真圖的擾動波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動的能力，符合設計要求。5、 小結本次電源設計在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

10、的使用MATLAB軟件對電路進行仿真研究，對MATALAB也有了一定的了解，可以通過它來精確繪制傳遞函數的伯德圖。對于這次的研究讓我們更加懂得了學好這們功課的重要性，并且也要有足夠的自學能力。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的交流和上網查找資料及圖書館翻閱圖書，最后終于把這些難題搞懂了。我深刻的認識到要真正掌握知識就要學會如何熟練地運用它。平時上課，我們不能只注重課本上的知識的吸收，更要運用于實際，學好本專業(yè)，也有利于我們將來的工作參考文獻1張衛(wèi)平等.開關變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版社,2006.01.2萬山明,吳芳.開關電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設計J. 電源技術應用,2004,7(3):142-145.3楊旭等.開關電源技術M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.03.4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，1999:176184.5王兆安，黃俊.電力電