基于PI控制方式的7A開(kāi)關(guān)電源的MATLAB仿真.doc

基于PI控制方式的7A開(kāi)關(guān)電源MATLAB仿真研究學(xué)院：電氣與光電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化目錄0 緒論 - 3 1 設(shè)計(jì)要求 - 3 2 主電路參數(shù)計(jì)算 - 3 2.1 電容參數(shù)計(jì)算 - 4 2.2 電感參數(shù)計(jì)算 - 43 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) - 53.1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 53.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 - 64 負(fù)載突加突卸 - 94.1滿(mǎn)載運(yùn)行 - 104.2突加突卸80%負(fù)載 - 104.3 電源擾動(dòng)20% - 115 小結(jié) - 13 參考文獻(xiàn) - 131、 緒論隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)電源的要求也不斷的提高，開(kāi)環(huán)的電源應(yīng)該說(shuō)早就不能滿(mǎn)足要求，無(wú)論是在輸出參數(shù)的精度還是抗干擾能力方面都比不上閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了使某個(gè)控制對(duì)象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個(gè)負(fù)反饋。粗略的講，只要使用一個(gè)高增益的反相放大器，就可以達(dá)到使控制對(duì)象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)而言，對(duì)于負(fù)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(tǒng)能夠穩(wěn)、準(zhǔn)、快地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問(wèn)題變得復(fù)雜了。要同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)計(jì)出合理的控制器，用控制器來(lái)改造控制對(duì)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(lèi)型。本文將通過(guò)MATLAB用實(shí)例來(lái)研究PI控制器的調(diào)節(jié)作用。2、 BUCK總電路設(shè)計(jì)Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯?、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負(fù)載電流的要求，設(shè)計(jì)主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。2.1技術(shù)指標(biāo)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(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開(kāi)關(guān)頻率(fs)：100kHz。2.2主電路參數(shù)計(jì)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(shù)計(jì)算輸出紋波電壓只與電容C的大小有關(guān)及Rc有關(guān)：(1)將，IN=7A帶入得，電解電容生產(chǎn)廠(chǎng)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(shù)，約為。本例中取為則：C=2100F。(2)濾波電感參數(shù)計(jì)算當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與截止時(shí)變換器的基爾霍夫電壓方程分別如式(2)、(3)所示：(2)(3)假設(shè)二極管的通態(tài)壓降，電感中的電阻壓降，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降。又因?yàn)?4)所以由式(2)、(3)、(4)聯(lián)立可得，并將此值回代式(2)，可得L=17.6uH(此處取18uH)。(3) 負(fù)載電阻計(jì)算由matlab仿真，得圖2，可知當(dāng)取時(shí)，電感電流在6.2A-7.6A之間脈動(dòng)，符合的要求圖(2)3、 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1原始系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用小信號(hào)模型分析方法得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為：假設(shè)PWM鋸齒波幅值為Vm=1.5V，采樣電阻Rx=3k，Ry=1.3k。采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)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(tǒng)相位裕度 40.5度，穿越頻率為1.48kHz,所以該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好。需要加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使其增大穿越頻率和相位裕度， 增加系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。3.2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算采用如圖(4)所示的PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例(P)、積分(I)環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量。稱(chēng)為PI調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器由于引入了積分環(huán)節(jié)(I)所以在調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時(shí)，此環(huán)節(jié)基本沒(méi)有作用，但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無(wú)差狀態(tài)。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(diào)節(jié)器，查用戶(hù)手冊(cè)得到其傳遞函數(shù)為：則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：設(shè)穿越頻率為，則系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性為：其中，振蕩阻尼系數(shù)為了增加系統(tǒng)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(dāng)。本次取=15khz，則穿越頻率。將數(shù)據(jù)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(shí)較為理想。則PI傳遞函數(shù)為：繪制PI傳遞函數(shù)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(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：通過(guò)matlab繪制系統(tǒng)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(tǒng)伯德圖如下圖：圖(6)由圖可以看出矯正后的系統(tǒng)相位裕度，穿越頻率為14.7kHz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。4、 負(fù)載突加突卸4.1滿(mǎn)載運(yùn)行滿(mǎn)載運(yùn)行的電路圖如圖(4)所示，仿真結(jié)果如圖(7)所示。圖(7)4.2突加突卸80%負(fù)載計(jì)算參數(shù)：負(fù)載突加突卸電路圖如圖(8)圖(8)仿真結(jié)果如圖(9)所示圖(9)由仿真圖可以看出系統(tǒng)具有較好的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。4.3電源擾動(dòng)為系統(tǒng)電源加上20%的變化擾動(dòng)，即電源電壓變?yōu)?和12，電路圖(10)如下圖(10)電源擾動(dòng)仿真結(jié)果如圖(11)所示圖(11)由仿真圖的擾動(dòng)波形可以看出系統(tǒng)具有較好的抗電源擾動(dòng)的能力，符合設(shè)計(jì)要求。5、 小結(jié)本次電源設(shè)計(jì)在BUCK電路原理的基礎(chǔ)上建立了小信號(hào)等效電路模型，并通過(guò)對(duì)PI控制器的設(shè)計(jì)，以及使用MATALAB對(duì)電路進(jìn)行仿真，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并通過(guò)負(fù)載突加突卸對(duì)電路的抗干擾性進(jìn)行了驗(yàn)證。完成了這次研究論文我對(duì)BUCK電路有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，可以較為熟練的使用MATLAB軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真研究，對(duì)MATALAB也有了一定的了解，可以通過(guò)它來(lái)精確繪制傳遞函數(shù)的伯德圖。對(duì)于這次的研究讓我們更加懂得了學(xué)好這們功課的重要性，并且也要有足夠的自學(xué)能力。在這次研究中，我遇到了很多的難題，但是在最后通過(guò)與同學(xué)的交流和上網(wǎng)查找資料及圖書(shū)館翻閱圖書(shū)，最后終于把這些難題搞懂了。我深刻的認(rèn)識(shí)到要真正掌握知識(shí)就要學(xué)會(huì)如何熟練地運(yùn)用它。平時(shí)上課，我們不能只注重課本上的知識(shí)的吸收，更要運(yùn)用于實(shí)際，學(xué)好本專(zhuān)業(yè)，也有利于我們將來(lái)的工作參考文獻(xiàn)1張衛(wèi)平等.開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制M.北京:中國(guó)電力出版社,2006.01.2萬(wàn)山明,吳芳.開(kāi)關(guān)電源(Buck電路)的小信號(hào)模型及環(huán)路設(shè)計(jì)J. 電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.3楊旭等.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.03.4張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社，1999:176184.5王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:258263.6周志敏.周紀(jì)海.開(kāi)關(guān)電源實(shí)用技術(shù)與應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社，2003:1517.7 張?zhí)m紅.基于電流控制技術(shù)反激式變換器研究J.南京：南京航空航天大學(xué)，2001:6875.8張崇巍，張興. PWM 整流器及其控制M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003:325328

總結(jié)

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