基于PI控制方式的1A开关电源MATLAB仿真研究

1、基于PI控制方式的1A开关电源MATLAB仿真研究 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： 目录0 绪论 - 2 1 设计要求 - 2 2 主电路参数计算 - 2 2.1 电容参数计算 - 3 2.2 电感参数计算 - 33 补偿网络设计 - 4 3.1原始系统的设计 - 4 3.2补偿网络相关参数计算 - 54 负载突加突卸 - 9 4.1满载运行 - 9 4.2突加突卸80%负载 - 11 4.3 电源扰动20% - 125 小结 - 13 参考文献 - 140 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

2、、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。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(VIN)：10V；输出电压(VO)：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

3、足以上要求。2 主电路参数计算主电路如图1图1 Buck电路2.1 电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可得： 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假设：二极管D的通态压降，电感L中的电阻压降，开关管S导通压降，其中L中串联电阻。可得： 将代入方程组可解的。 占空比: 负载电阻： 由matlab仿真，得图2，可知当取时，电感电流在0.87A-1.09A之间脉动，符合的要求。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： 假设PWM锯齿

4、波幅值为Vm=1.5V，采样电阻Rx=3.5k，Ry=1.5k。采样网络的传递函数为： 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(num,den); margin(g); 图3 波特图如图所得，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

5、。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。 图4 PI补偿网络 采样电压为1.5V则取采样电阻R6、R7分别为3.5K和1.5K。其传递函数为：则系统总的传递函数为：设穿越频率为，则系统的对数幅频特性为：其中，振荡阻尼系数。 为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率，一般穿越频率以小于较为恰当。本次取=15kHZ，则穿越频率。将数据代得， 相位裕度一般相位裕度为，则 取,将K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20时较为理想。则PI传递函数为：绘制PI传递函数

6、伯德图5，程序如下： num=40e-5 20; den=2e-5,0; g=tf(num,den); margin(g) 图5 PI传递函数伯德则系统总的传递函数为：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;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=40e-5 20;den=2e-5,0;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=1.5e-4 2;den=3.75e-8 2.5e-5 0.83;f=tf(num,den);num1=40e-5

7、 20;den1=2e-5 0;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)总系统伯德图如下图6： 图6总系统伯德 由图可以看出矫正后的系统相位裕度，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：负载突加突卸电路图如图8 图8负载突加突卸电路仿真结果如图9所示图9 仿真结果系统在突加突卸80%负载的时候，电压约有0.2V的波动，恢复时间约为200s，效果

8、并不很好。4.3 电源扰动20% 1020%=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电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MATALAB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

9、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.2008 4王中鲜，赵魁，徐建东.MATLAB建模与仿真应用教程M.2版.机械工业出版社.2014 5许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践J.电气电子教学学报.20086张卫平等.开关变换器的建模与控制M.北京:中国电力出版