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21設計要求22主電路參數計算22.1電容參數計算32.2電感參數計算33補償網絡設計43.1原始系統的設計43.2補償網絡相關參數計算54負載突加突卸94.1滿載運行94.2突加突卸80%負載114.3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、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，使滿足以上要求。2主電路參數計算主電路如圖1圖1Buck電路圖1Buck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鋸齒波幅值為Vm=1.5V，采樣電阻Rx=3.5kΩ，Ry=1.5kΩ。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-42];den=[3.75e-82.5e-50.83];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。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4PI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傳遞函數伯德圖5，程序如下：num=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)圖5PI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-42];den=[3.75e-82.5e-50.83];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[1.5e-42];den=[3.75e-82.5e-50.83];f=tf(num,den);num1=[40e-520];den1=[2e-50];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200μs，效果并不很好。4.3電源擾動20%10×20%=2，即要求電源在8V~12V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，1999:176～184.[2]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2002:258～263.[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.2008[6]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.[7]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.[8]楊旭等.開關電源技術[M].北京:機械工業出版社,2004.03.原始回路伯德圖圖4校正網絡伯德圖(PD)校正網絡伯德圖（雙零點雙極點）零點雙極點）原始回路伯德圖圖4校正網絡伯德圖(PD)校正網絡伯德圖（雙零點雙極點）零點雙極點）基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式以太網防盜報警系統基于51單片機的嵌入式Internet系統的設計與實現單片機監測系統在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現與應用單片機在高樓恒壓供水系統中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發基于MSP430單片機的遠程抄表系統及智能網絡水表的設計基于MSP430單片機具有數據存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設計基于單片機的氨分解率檢測系統的研究與開發鍋爐的單片機控制系統基于單片機控制的電磁振動式播種控制系統的設計基于單片機技術的WDR-01型聚氨酯導熱系數測試儀的研制一種RISC結構8位單片機的設計與實現HYPERLINK"/de