基于PI控制方式的7A開關電源的MATLAB仿真.doc

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：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 - 53.1原始系統的設計 - 53.2補償網絡相關參數計算 - 64 負載突加突卸 - 94.1滿載運行 - 104.2突加突卸80%負載 - 104.3 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展對電源的要求也不斷的提高，開環的電源應該說早就不能滿足要求，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控制系統。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定的目的。但就一個實際系統而言，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，需要系統能夠穩、準、快地做出合適的調節，這樣就使問題變得復雜了。要同時解決穩、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩態和動態要求，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MATLAB用實例來研究PI控制器的調節作用。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、電流-電壓雙環設計控制環路。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3.1原始系統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，該系統相位裕度 40.5度，穿越頻率為1.48kHz,所以該傳遞函數穩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， 增加系統的快速性和穩定性。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環節是將偏差的比例(P)、積分(I)環節經過線性組合構成控制量。稱為PI調節器。這種調節器由于引入了積分環節(I)所以在調節過程中，當輸入和負載變化迅速時，此環節基本沒有作用，但由于積分環節的引入在經過足夠長的時間可以將系統調節到無差狀態。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調節器，查用戶手冊得到其傳遞函數為：則系統總的傳遞函數為：設穿越頻率為，則系統的對數幅頻特性為：其中，振蕩阻尼系數為了增加系統的快速性，需要提高穿越頻率，一般穿越頻率以小于1/5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)則系統總的傳遞函數為：通過matlab繪制系統伯德圖，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,den);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)總系統伯德圖如下圖：圖(6)由圖可以看出矯正后的系統相位裕度，穿越頻率為14.7kHz，系統的的快速性和穩定性都得到改善。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：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具有較好的抗負載擾動能力。4.3電源擾動為系統電源加上20%的變化擾動，即電源電壓變為8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，也有利于我們將來的工作參考文獻1張衛平等.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：電子工業出版社，1999:176184.5王兆安，黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業出版社，2002:258263.6周志敏.周紀海.開關電源實用技術與應用M.北京：人民郵電出版社，2003:1517.7 張蘭紅.基于電流控制技術反激式變換器研究J.南京：南京航空航天大學，2001:6875.8張崇巍，張興. PWM 整流器及其控制M.北京：機械工業出版社，2003:325328

總結

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