基于PI控制方式的7A开关电源的MATLAB仿真

1、页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！基于 PI 控制方式的7A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目录0 绪论 - 3 页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！1 设计要求 - 3 2 主电路参数计算 - 3 2.1 电容参数计算 - 4 2.2 电感参数计算 - 43 补偿网络设计 - 5 3.1原始系统的设计 - 5 3.2补偿网络相关参数计算 - 6 4 负载突加突卸 - 9 4.1满载运行 - 10 4.2突加突卸 80% 负载 - 10 4.3 电源扰动 20% - 11 5 小结 - 13 参考文献 - 13一、绪论随着电子技术的不断开展

2、对电源的要求也不断的提高，开环的电源应该说早就不能满足要求，无论是在输出参数的精度还是抗干扰能力方面都比不上闭环控制系统。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定， 需要引入一个负反应。 粗略的讲， 只要使用一个高增益的反相放大器，页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！就可以到达使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出适宜的调节，这样就使问题变得复杂了。要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。常用的控制器有比例

3、积分PI、比例微分 PD 、比例 - 积分-微分 PID等三种类型。本文将通过 MATLAB 用实例来研究 PI 控制器的调节作用。二、BUCK 总电路设计Buck 变换器最常用的变换器， 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，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用单电压环、电流-电压双环设计控制环路。技术指标输入直流电压 (VIN)：10V 输出电压 (VO)：5V；输出电流 (IN)：7A；输出电压纹波 (Vrr)：50mV；基准电压 (Vref)：；开关频率 (fs)：100kHz。Buck 变换器主电路如图 1所示，其中 Rc

4、 为电容的等效电阻。图 1(1)滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容C 的大小有关及 Rc 有关：NrrLrrCIViVR2. 0=1页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！将mvVrr50=，IN=7A 带入得= 35.7mcR，电解电容生产厂商很少给出ESR，而且 ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但是C 与 Rc 的乘积趋于常数，约为F*8050。本例中取为F*75那么： C=2100F。(2)滤波电感参数计算当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式2、 3所示：ONLONLOINTiLVVVV-=2OFFLDLOTiLVVV=+3假设二极管的通态压降VVD5 .0=， 电感

5、中的电阻压降VVL5.0=，开关管的导通压降VVON5. 0=。又因为sONOFFfTT1=+4所以由式 2、 3、 4联立可得usTON6 .5=，并将此值回代式 (2)，可得 L=H此处取18uH。（3）负载电阻计算714.075=AVIVRNOL由 matlab 仿真，得图 2，可知当取HL17=时，电感电流在 A-A 之间脉动，符合NLIi2. 0的要求图 2三、补偿网络设计原始系统的设计页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！2854107 .3105.21101.52sss+=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：假设 PWM 锯齿波幅值为 Vm=1.

6、5V，采样电阻 Rx=3k? ，Ry=1.3k? 。采样网络的传递函数为：2866-10696. 311024.641)05. 01050011 (103 .05. 11)(ssssGO+=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：150 2; 3725 1; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0); 3 .0)(=+=xyyRRRsH页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！图 3如图所得， 该系统相位裕度8kHz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要参加补偿网络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。采用

7、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，此环节根本没有作用，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。图 4页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！采样电压为 1.5V 那么取采样电阻 R6、R7 分别为 3K 和 1.3K。如下图我采用的是MATLAB 自带的 PI 调节器，查用户手册得到其传递函数为：TSTSKsGc1)(+=那么系统总的传递函数为：T s1105 .2107 .31T s)1s107.5(2k)(528

8、5）（）（+=sssG设穿越频率为c，那么系统的对数幅频特性为：+=90-12arctan-90-10arctan7.5Tarctan0)(2ncncc5-cc）（其中=8n107.31，振荡阻尼系数n8-52107.3105.2=为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率cf，一般穿越频率以小于1/5sf较为恰当。本次取cf=15khz，那么穿越频率rad/s109.42150003.142f24cc=。将数据代入+=90-12arctan-90-10arctan7.5Tarctan0)(2ncncc5-cc）（得+=90-180-81.94T10arctan9.42)(4c相位裕度=+=8.0

9、6-T10arctan9.42)(1804c一般相位裕度为5550那么558.06-T10arctan9.4250406.631042.9arctan06.584T97.11042.960.14T551009.21070.1T页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！取-5102.0T=,将 K 取不同的值在 MATLAB 上仿真得到 k=20 时较为理想。那么 PI 传递函数为：s102.01s102.020)(55c+=）（sG绘制 PI 传递函数伯德图，程序如下：num=40e-5 20; den=2e-5,0; g=tf(num,den); margin(g) 图 5那么系统总的传递函数为

10、：SSSSSGS5210313328)(102105104.740108.3106+=通过 matlab绘制系统伯德图，程序如下：150 2; 3725 1; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0); hold on num=40e-5 20; den=2e-5,0; g=tf(num,den); margin(g); hold on 15 2; 372 1; f=tf(num,den); num1=40e-5 20; 页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！den1=2e-5 0; g=tf(num1,den1); num2=conv(num,num1); d

11、en2=conv(den,den1); margin(num2,den2) 总系统伯德图如下列图：图 6由图可以看出矫正后的系统相位裕度7.53，穿越频率为14.7kHz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。四、负载突加突卸满载运行的电路图如图4所示，仿真结果如图7所示。页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！图 74.2 突加突卸 80%负载计算参数：28/257/5/5/727/251.451.41.42 .0o=nnNRRAVAVAI负载突加突卸电路图如图8页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！图 8仿真结果如图 9所示图 9由仿真图可以看出系统具有较好的抗负载扰动能力。为系统电源加上20%

12、 的变化扰动，即电源电压变为8 和 12，电路图 10如下页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！图10电源扰动仿真结果如图11所示图 11由仿真图的扰动波形可以看出系统具有较好的抗电源扰动的能力，符合设计要求。页脚下载后可删除，如有侵权请告知删除！五、小结本次电源设计在 BUCK 电路原理的根底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MATALAB 对电路进展仿真，根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展了验证。完成了这次研究论文我对BUCK 电路有了更为深刻的认识，可以较为熟练的使用MATLAB 软件对电路进展仿真研究，对MATALAB 也有了一定

13、的了解，可以通过它来准确绘制传递函数的伯德图。对于这次的研究让我们更加懂得了学好这们功课的重要性，并且也要有足够的自学能力。在这次研究中，我遇到了很多的难题，但是在最后通过与同学的交流和上网查找资料及图书馆翻阅图书，最后终于把这些难题搞懂了。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。平时上课，我们不能只注重课本上的知识的吸收，更要运用于实际，学好本专业，也有利于我们将来的工作参考文献1张卫平等 .开关变换器的建模与控制M. 北京 :中国电力出版社,2006.01. 2万山明 ,吴芳 .开关电源 (Buck 电路 )的小信号模型及环路设计J. 电源技术应用 ,2004,7(3):142-145. 3杨旭等 .开关电源技术M. 北京 :机械工业出版社,2004.03. 4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. 5王兆安，黄俊.电力电子技术 M