基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究

基于PI控制方式的4A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：姓名：学号：1目录0绪论---------------------------------------------------------------------21设计要求-----------------------------------------------------------------22主电路参数计算-----------------------------------------------------------22.1电容参数计算---------------------------------------------------------32.2电感参数计算---------------------------------------------------------33补偿网络设计-------------------------------------------------------------43.1原始系统的设计--------------------------------------------------------43.2补偿网络相关参数计算--------------------------------------------------64负载突加突卸-------------------------------------------------------------104.1满载运行--------------------------------------------------------------104.2突加突卸80%负载------------------------------------------------------114.3电源扰动20%---------------------------------------------------------125小结--------------------------------------------------------------------14参考文献------------------------------------------------------------------14基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究20绪论开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持不乱输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。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、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。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。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4A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)：4A；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，使满足以上要求。2主电路参数计算主电路如图1图1Buck电路基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究32.1电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻CR有关NrrLrrCIViVR2.0通常CR并未直接给出，但CRC趋于常数，约为F8050，此处取FCRC75可得：mRC5.62FC1200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OFFLDLOONLONLOINTiLVVVTiLVVVV101sONOFFfTT假设：二极管D的通态压降VVD5.0，电感L中的电阻压降VVL1.0，开关管S导通压降VVON5.0，其中L中串联电阻1.0NLLIVR。可得：sTON6.5sTOFF4.4将sTON6.5代入方程组可解的HL8.30。占空比:56.0OFFONONTTTD导通角：θ=D×2×180=6.201负载电阻：25.145AVIVRNOL基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究41105.2103.72101.55284sss由matlab仿真，得图2，可知当取FL31时，电感电流在3.4A-4.5A之间脉动，符合NLIi2.0的要求。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：LCsRLssCRVsHVsGCINmO211)(1)(假设PWM锯齿波幅值为Vm=1.5V，采样电阻Rx=3kΩ，Ry=1.3kΩ。采样网络的传递函数为：26666101200108.301.251030.81)10751(103.05.11)(ssssGO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-42];图2电感电流3.0)(xyyRRRsH基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究5den=[3.7e-82.5e-51];g=tf(num,den);margin(g);波特图3如图所得，该系统相位裕度41.6度，穿越频率为9.67kHz,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。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。基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究6PI补偿网络图4采样电压为1.5V则取采样电阻Rc1、Rc2分别为3.5K和1.5K。如图所示我采用的是PSIM自带的PI调节器，查用户手册得到其传递函数为：TSTSKsGc1)(则系统总的传递函数为：s1102.5103.71s)1s107.5(2k)(5285TssTsG）（）（设穿越频率为c，则系统的对数幅频特性为：90--12arctan-90-10arctan7.5Tarctan0)(2ncncc5-cc）（其中8n103.71，振荡阻尼系数n8--52103.7102.5。为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率cf，一般穿越频率以小于51sf较为恰当。本次取cf=15kHZ，则穿越频率rad/s109.42150003.142f24cc。将数据代)(c得，基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究790-180-81.94T10arctan9.42)(4c相位裕度8.06-T10arctan9.42)(1804c一般相位裕度为5550，则558.06-T10arctan9.4250406.631042.9arctan06.584T97.11042.960.14T551009.21070.1T取-5102.0T,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：s102.01s102.020)(55c）（sG绘制PI传递函数伯德图5，程序如下：num=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究8PI传递函数伯德图5则系统总的传递函数为：SSSSSGS5210313328)(102105104.740108.3106通过matlab绘制系统伯德图，程序如下：num=[0.0001502];den=[0.0000000370.0000251];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[0.000152];den=[0.0000000370.0000251];基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究9f=tf(num,den);num1=[40e-520];den1=[2e-50];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：总系统伯德图6由图可以看出矫正后的系统相位裕度1.54，穿越频率为93.2kHz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究104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。满载仿真图74.2突加突卸80%负载计算参数：基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究1156.125.1//25.625.60.850.80.82.0onnNRRAVAVAI负载突加突卸电路图如图8负载突加突卸电路图8仿真结果如图9所示基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究12仿真结果图94.3电源扰动20%10×20%=2.0，即要求电源在8V~12V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所示电源扰动图10基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究13仿真图如图11所示电源扰动仿真图11基于PI控制方式的4A开关电源MATLAB仿真研究145小结这次的软件学习作业让我受益匪浅，我通过已学的知识的帮助，如自动控制原理，电力电子技术等课程，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。在学习MATALAB软件时真的是十分的困难，学习过程中也还是让我们学习到好多的知识，增进了我们的学习水平。虽然是完成了但还是有很多的缺憾和不足，但是这样也才能让我们的知识有所提高。拥有这次机会去完成这篇论文，让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。平时上课，我们不能只注重课本上的知识的吸收，更要运用于实际，学好本专业，也有利于我们将来的工作。经过这次的论文设计，学到了不少东西，思维能力得到了提高，更重要的是有了一种精益求精的追求，获益匪浅。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软件对电路进行仿真研究，可以通过它来精确绘制传递函数的伯德图。仅仅靠学习书上的知识是远远不够的，解决实际的问题，是需要真正理解知识，联系相关学科，找出他们的关系，而不是将各个学科孤立起来。在考虑问题时候，既然认真计算每个细节，又要考虑整体的可行性，如主电路中电感的取值等等，会间接影响到最后系统的稳定性。如何正确的确定每个参数，是能否达到最优设计的关键。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，才能更好的提高自己。