基于pi控制方式的1a开关电源matlab仿真研究大学论文

1、基于PI控制方式的1A开关电源MATLAB仿真研究学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：基于PI控制方式的1A开关电源MATLA仿真研究目录0绪论21设计要求22主电路参数计算22.1 电容参数计算32.2 电感参数计算33补偿网络设计43.1 原始系统的设计43.2补偿网络相关参数计算54负载突加突卸94.1 满载运行94.2 突加突卸80%负载114.3 电源扰动20%125小结13参考文献14100绪论开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用 方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用 效果显著

2、。Buck变换器是最常用的变换器，工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck 族，现以Buck变换器为例，依据1A负载电流的要求，设计主功率电路。为了使其具抗干扰能 力，输出电流达到所需的等级，减小其电压纹波，现设计校正网络使其闭环，提高系统的能力。1设计要求技术指标：输入直流电压（Vn） : 10V;输出电压（V）: 5V;输出电流（In） : 1A;输出电压纹波（Vrr） : 50mV基准电压（Vref） : 1.5V ；开关频率（fs） : 100kHz.设计主电路以及校正网络，使满足以上要求。2主电路参数计算主电路如图12.1电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电

3、阻Rc有关VrrV rrRC =.-Jl02In通常Rc并未直接给出，但RcC趋于常数，约为50 80上F ,此处取RcC =75丄F可得：& =250m“C =300平2.2电感参数计算由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程Vin -V。- VlV。VlVd-VN = L严 I ON-Il假设：二极管D的通态压降Vd =0.5V，电感L中的电阻压降Vl =0.1V，开关管S导通压降 VON =0.5V，其中L中串联电阻RVl = 0.11。1 N可得：Ton =5.6Stoff =4.4s占空比：D二=0.56将Ton =5.6七代入方程组可解的L=123.2H负载电阻：TonTo

4、n Toff由matlab仿真，得图2,可知当取L =130牛时，电感电流在0.87A-1.09A之间脉动，符 合讥乞0.2In的要求。图2电感电流3补偿网络设计3.1原始系统的设计采用小信号模型分析方法得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为:1G(s)=v H(s)Vm% 1 sCFC1 sL s2LCR假设PWM锯齿波幅值为采样网络的传递函数为：Vm=1.5V，采样电阻 Rx=3.5kQ, Ry=1.5kQ。RyH(s)y0.3Ry +RxG(s)11.5门门10x(1 +300x10 x0.25s)0.3厂150 汇 10 S_6_6 21150 10 一 300 10 s5A1.

5、5x10 s + 23.75 10 s22.5 10s 0.83根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图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( nu m,de n); margi n( g);Bode DiagramGm = Inf, Pm = 40.4 deg (al 1_48s+03 Hz)甜20w1D3Frequency (Hz)图3波特图_.HP一 也 pn 荒 &E3-W-3.0-40-50如图所得，该系统相位裕度40.4度,穿越频率为1.48kHz,所以该传递函数稳定性和快速性 均不好。需要加入补偿网络

6、使其增大穿越频率和相位裕度，增加系统的快速性和稳定性。3.2补偿网络相关参数计算采用如图4所示的PI补偿网络。PI环节是将偏差的比例（P）、积分（I）环节经过线性组合 构成控制量。称为PI调节器。这种调节器由于引入了积分环节（I）所以在调节过程中，当输 入和负载变化迅速时，此环节基本没有作用，但由于积分环节的引入在经过足够长的时间可以将系统调节到无差状态j +vfout)OUTD acrele 户D C svriioiler图4 PI补偿网络采样电压为1.5V则取采样电阻 其传递函数为：R6、R7 分别为 3.5K 和 1.5KGc(s)二 KTS 1TS则系统总的传递函数为:G (s)二2k

7、(6.25 10s 1)(Ts 1)(3.75 10s2 2.5 10s 1)Ts设穿越频率为c,则系统的对数幅频特性为:(c) =05arctan cT arctan6.25 10 c-90 - arctan-90其中n13.75 10“振荡阻尼系数53 103.75 10-8 2 n1为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率fc，一般穿越频率以小于丄fs较为恰当。本次5取 fc=15kHZ 则穿越频率 c=2：fc=2 3.14 15000 = 9.42 104rad/s。基于PI控制方式的1A开关电源MATLA仿真研究 将数据代C-c)得，(c)二arctan9.42 104T 81.94

8、 -180 -90相位裕度襌=180( c)=arctan9.42 104T-8.06一般相位裕度为50乞55，则450 arctan9.42 10 T -8.06 5558.06 arctan9.42 104T 63.061.60 乞 9.42 104T 1.97551.70 10 乞T 空 2.09 10取T =2.0 10-5,将K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20时较为理想20 (2.0 10 s 1)则PI传递函数为：Gc(s) =/2.0勺0 s绘制PI传递函数伯德图5，程序如下：num=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf( nu m,de n);margi

9、n( g)11基于PI控制方式的1A开关电源MATLA仿真研究20Bode Diagram Gm = inf, Pm = InfAw-HP) umEW10 10Frequency (Hz)1图5 PI传递函数伯德则系统总的传递函数为:G（s）6 10$S23.8 10”S 407.5 10J3S35 1040S21.66 10 S通过matlab绘制系统伯德图，程序如下:num=1.5e-4 2;den=3.75e-8 2.5e-5 0.83; gO=tf( nu m,de n);bode(gO);margi n( g0);hold on num=40e-5 20; den=2e-5,0; g

10、=tf( nu m,de n); margi n( g);hold on num=1.5e-4 2;den=3.75e-8 2.5e-5 0.83;f=tf(nu m,de n); num 1=40e-5 20; de n1=2e-5 0; g=tf( nu m1,de n1);nu m2=c onv(num,nu m1); den 2=c onv (de n,den 1);margin(nu m2,de n2)总系统伯德图如下图6：Bode DiagramGm =18.5 dB 同 3.97e+03 Hz). Pm = 537 deg (aH畑04 Hz)图6总系统伯德由图可以看出矫正后的系

11、统相位裕度53.7二穿越频率为14.7kHz，系统的的快速性和稳定性都得到改善4负载突加突卸4.1满载运行满载运行的电路图如图 4所示，仿真结果如图 7所示。图7 满载仿真4.2突加突卸80%负载计算参数：0.2In =0.2AVo0.2A50.2A-25?25门 / Rn 二 5 JRn =6.25 门负载突加突卸电路图如图8usjO-A_jWLb +4pwmi仿真结果如图9所示d F 一 JIdeal SwitchRID Contrc ltef7B图8负载突加突卸电路*1?-FTv(ref)C1FLC诃 out)OLTTref图9仿真结果系统在突加突卸80%负载的时候，电压约有0.2V的波

12、动，恢复时间约为200卩s,效果并 不很好。4.3电源扰动20%10X20%=2即要求电源在8V12V之间扰动。因此采用方波电压源代替扰动的电压源，电 路图如图10所示斗1V TTTref2Cantinucufi3*OUT图10电源扰动仿真图如图11所示图11电源扰动仿真5小结通过已学的知识，如自动控制原理，电力电子技术等，并且结合了开关电源技术所学知识， 完成了这次的课程设计。本次电源设计在 BUCK!路原理的基础上建立了小信号等效电路模型， 并通过对PI控制器的设计，以及使用MATALA对电路进行仿真，基本实现了预定的目标，并通 过负载突加突卸对电路的抗干扰性进行了验证。完成了这次研究论文

13、我对 BUCK电路有了更为深刻的认识，可以较为熟练的使用MATALAB软件对电路进行仿真研究，可以通过它来精确绘制传递函数的伯德图。我深刻的认识到要真正 掌握知识就要学会如何熟练地运用它，会用会做才是学会。除此之外，此次课程设计还提高了我查阅资料的能力，有些知识并不能在现有书本上找到， 需要自己去借阅图书，上网查找其他的学术文章作为参考。这次的课程设计也为之后的毕业设计打下了一定的基础，我从中受益匪浅。参考文献1 张占松，蔡宣三开关电源的原理与设计M.北京：电子工业出版社，1999:176184.2 王兆安，黄俊电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2002:258263.3 胡寿松.自动控制原理M.5 版.科学出版社.20084 王中鲜，赵魁，徐建东.MAT