基于PI控制方式的1A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究

基于PI控制方式的1A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究 基于PI控制方式的1A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：目錄0緒論21設(shè)計(jì)要求22主電路參數(shù)計(jì)算22.1電容參數(shù)計(jì)算32.2電感參數(shù)計(jì)算33補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)43.1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)43.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算54負(fù)載突加突卸94.1滿(mǎn)載運(yùn)行94.2突加突卸80%負(fù)載114.3電源擾動(dòng)20%125小結(jié)13參考文獻(xiàn)140緒論開(kāi)關(guān)電源是近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。Buck變換器是最常用的變換器，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)1A負(fù)載電流的要求，設(shè)計(jì)主功率電路。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達(dá)到所需的等級(jí)，減小其電壓紋波，現(xiàn)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)使其閉環(huán)，提高系統(tǒng)的能力。1設(shè)計(jì)要求技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓(VIN)：10V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：1A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開(kāi)關(guān)頻率(fs)：100kHz.設(shè)計(jì)主電路以及校正網(wǎng)絡(luò)，使?jié)M足以上要求。2主電路參數(shù)計(jì)算主電路如圖1圖1Buck電路圖1Buck電路2.1電容參數(shù)計(jì)算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關(guān)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(jì)算由基爾霍夫電壓定律可知開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷滿(mǎn)足下列方程假設(shè)：二極管D的通態(tài)壓降，電感L中的電阻壓降，開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通壓降，其中L中串聯(lián)電阻?？傻茫?將代入方程組可解的。占空比:負(fù)載電阻：由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)取時(shí)，電感電流在0.87A-1.09A之間脈動(dòng)，符合的要求。圖2電感電流圖2電感電流3補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用小信號(hào)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=3.5kΩ，Ry=1.5kΩ。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=[1.5e-42];den=[3.75e-82.5e-50.83];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(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)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(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量。稱(chēng)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(guò)程中，當(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時(shí)，此環(huán)節(jié)基本沒(méi)有作用，但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無(wú)差狀態(tài)。圖4PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(shè)穿越頻率為，則系統(tǒng)的對(duì)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(dāng)。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(shí)較為理想。則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)伯德圖5，程序如下：num=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)圖5PI傳遞函數(shù)伯德則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：通過(guò)matlab繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：num=[1.5e-42];den=[3.75e-82.5e-50.83];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[1.5e-42];den=[3.75e-82.5e-50.83];f=tf(num,den);num1=[40e-520];den1=[2e-50];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(fù)載突加突卸4.1滿(mǎn)載運(yùn)行滿(mǎn)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滿(mǎn)載仿真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負(fù)載突加突卸電路仿真結(jié)果如圖9所示圖9仿真結(jié)果系統(tǒng)在突加突卸80%負(fù)載的時(shí)候，電壓約有0.2V的波動(dòng)，恢復(fù)時(shí)間約為200μs，效果并不很好。4.3電源擾動(dòng)20%10×20%=2，即要求電源在8V~12V之間擾動(dòng)。因此采用方波電壓源代替擾動(dòng)的電壓源，電路圖如圖10所示圖10電源擾動(dòng)仿真圖如圖11所示圖11電源擾動(dòng)仿真5小結(jié)通過(guò)已學(xué)的知識(shí)，如自動(dòng)控制原理，電力電子技術(shù)等，并且結(jié)合了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)所學(xué)知識(shí)，完成了這次的課程設(shè)計(jì)。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(hào)等效電路模型，并通過(guò)對(duì)PI控制器的設(shè)計(jì)，以及使用MATALAB對(duì)電路進(jìn)行仿真，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并通過(guò)負(fù)載突加突卸對(duì)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(duì)BUCK電路有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，可以較為熟練的使用MATALAB軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真研究，可以通過(guò)它來(lái)精確繪制傳遞函數(shù)的伯德圖。我深刻的認(rèn)識(shí)到要真正掌握知識(shí)就要學(xué)會(huì)如何熟練地運(yùn)用它，會(huì)用會(huì)做才是學(xué)會(huì)。除此之外，此次課程設(shè)計(jì)還提高了我查閱資料的能力，有些知識(shí)并不能在現(xiàn)有書(shū)本上找到，需要自己去借閱圖書(shū)，上網(wǎng)查找其他的學(xué)術(shù)文章作為參考。這次的課程設(shè)計(jì)也為之后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)，我從中受益匪淺。參考文獻(xiàn)[1]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999:176～184.[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:258～263.[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].5版.科學(xué)出版社.2008[4]王中鮮，趙魁，徐建東.MATLAB建模與仿真應(yīng)用教程[M].2版.機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2008[6]張衛(wèi)平等.開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.01.[7]萬(wàn)山明,吳芳.開(kāi)關(guān)電源(Buck電路)的小信號(hào)模型及環(huán)路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.[8]楊旭等.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.03.原始回路伯德圖圖4校正網(wǎng)絡(luò)伯德圖(PD)校正網(wǎng)絡(luò)伯德圖（雙零點(diǎn)雙極點(diǎn)）零點(diǎn)雙極點(diǎn)）原始回路伯德圖圖4校正網(wǎng)絡(luò)伯德圖(PD)校正網(wǎng)絡(luò)伯德圖（雙零點(diǎn)雙極點(diǎn)）零點(diǎn)雙極點(diǎn)）基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線(xiàn)間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線(xiàn)性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于A(yíng)VR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于A(yíng)T89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于A(yíng)Tmega16單片機(jī)的流量控制器的開(kāi)發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動(dòng)式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)HYPERLINK"/de