1、基于PI控制方式的1A開關電源MATLAB仿真研究 基于PI控制方式的1A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 班級： 目錄0 緒論 - 2 1 設計要求 - 2 2 主電路參數計算 - 2 2.1 電容參數計算 - 3 2.2 電感參數計算 - 33 補償網絡設計 - 4 3.1原始系統的設計 - 4 3.2補償網絡相關參數計算 - 54 負載突加突卸 - 9 4.1滿載運行 - 9 4.2突加突卸80%負載 - 11 4.3 電源擾動20% - 125 小結 - 13 參考文獻 - 140 緒論開關電源是近年來應用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小

2、、重量輕、耗能低、使用方便等優點，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業設備、醫療器械、家用電器等領域應用效果顯著。Buck變換器是最常用的變換器，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1A負載電流的要求，設計主功率電路。為了使其具抗干擾能力，輸出電流達到所需的等級，減小其電壓紋波，現設計校正網絡使其閉環，提高系統的能力。1 設計要求技術指標：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；基準電壓(Vref)：1.5V；開關頻率(fs)：100kHz.設計主電路以及校正網絡，使滿

3、足以上要求。2 主電路參數計算主電路如圖1圖1 Buck電路2.1 電容參數計算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關通常并未直接給出，但趨于常數，約為，此處取可得： 2.2 電感參數計算由基爾霍夫電壓定律可知開關管導通關斷滿足下列方程假設：二極管D的通態壓降，電感L中的電阻壓降，開關管S導通壓降，其中L中串聯電阻。可得： 將代入方程組可解的。 占空比: 負載電阻： 由matlab仿真，得圖2，可知當取時，電感電流在0.87A-1.09A之間脈動，符合的要求。圖2 電感電流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

4、波幅值為Vm=1.5V，采樣電阻Rx=3.5k，Ry=1.5k。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=1.5e-4 2; den=3.75e-8 2.5e-5 0.83; g=tf(num,den); margin(g); 圖3 波特圖如圖所得，該系統相位裕度 40.4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

5、。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 PI補償網絡 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較為恰當。本次取=15kHZ，則穿越頻率。將數據代得， 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時較為理想。則PI傳遞函數為：繪制PI傳遞函數

6、伯德圖5，程序如下： num=40e-5 20; den=2e-5,0; g=tf(num,den); margin(g) 圖5 PI傳遞函數伯德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=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)總系統伯德圖如下圖6： 圖6總系統伯德 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 滿載仿真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負載突加突卸電路仿真結果如圖9所示圖9 仿真結果系統在突加突卸80%負載的時候，電壓約有0.2V的波動，恢復時間約為200s，效果

8、并不很好。4.3 電源擾動20% 1020%=2，即要求電源在8V12V之間擾動。因此采用方波電壓源代替擾動的電壓源，電路圖如圖10所示圖10 電源擾動仿真圖如圖11所示圖11 電源擾動仿真5 小結 通過已學的知識，如自動控制原理，電力電子技術等，并且結合了開關電源技術所學知識，完成了這次的課程設計。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MATALAB軟件對電路進行仿

9、真研究，可以通過它來精確繪制傳遞函數的伯德圖。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，會用會做才是學會。除此之外，此次課程設計還提高了我查閱資料的能力，有些知識并不能在現有書本上找到，需要自己去借閱圖書，上網查找其他的學術文章作為參考。這次的課程設計也為之后的畢業設計打下了一定的基礎，我從中受益匪淺。參考文獻1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，1999:176184.2王兆安，黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業出版社，2002:258263. 3胡壽松.自動控制原理M.5版.科學出版社.2008 4王中鮮，趙魁，徐建東.MATLAB建模與仿真應用教程M.2版.機械工業出版社.2014 5許澤剛，李俊生，郭建江.基于電力電子的虛擬綜合實驗設計與實踐J.電氣電子教學學報.20086張衛平等.開關變換器的建模與控制M.北京:中國電力出版