基于PI控制的7A開關(guān)電源Multisim仿真研究

1、基于PI控制方式的8A開關(guān)電源Multisim仿真研究 學(xué)院：電光學(xué)院 班級：13電氣卓越 姓名： 周寒 學(xué)號： 13020441一、引言在這次開關(guān)電源實驗設(shè)計中，老師的要求是就PI控制方式的8A開關(guān)電源的Multisim進行仿真研究。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換、現(xiàn)代電子、自動控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用到工業(yè)、能源、交通、信息、航空、國防、教育、文化等領(lǐng)域。電源技術(shù)的發(fā)展實際上是圍繞著提高效率、提高性能、小型輕量化、安全可靠、消除電力公害、減少電磁干擾和電噪聲的軌跡進行不懈研究。開關(guān)電源是整個電源技術(shù)中至關(guān)重要的部分，其中Buck變化器補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，

2、是開關(guān)電源的重要研究課題，我會在接下來的幾天中努力認(rèn)真完成這個重要課題的。二、主功率電路設(shè)計1、技術(shù)指標(biāo)：輸入直流電壓(VIN)：12V；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；開關(guān)頻率(fs)：100kHz.滯環(huán)控制為PFM方式，不受此限制2 、主電路參數(shù)計算主電路如圖2-1圖2-1 Buck電路圖2-12.1 電容參數(shù)計算輸出電壓紋波只與電容C和電容等效電阻有關(guān)通常并未直接給出，但趨于常數(shù)，約為，此處取可得： 取2.2 電感參數(shù)計算由基爾霍夫電壓定律可知開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷滿足下列方程假設(shè)： 其中L中串聯(lián)電阻可得：3、用軟

3、件參數(shù)掃描法計算： 圖2-2 原始回路的參數(shù)掃描采用Multisim的參數(shù)掃描功能，在如圖2-2中，當(dāng)電感在18H時，電感電流在5.976.03之間脈動，符合=1.6A的設(shè)計要求，且理論要求與實際結(jié)果一致。所以，當(dāng)L=18.66H時，輸入電流IN=7A，輸出電壓VO=5V。輸出電壓紋波Vrr =50mV，所以選擇L=18H，理論分析和計算機仿真結(jié)果是一致的。 用Multisim作參數(shù)掃描，顯然由圖可得，當(dāng)時，輸出電壓紋波。所以理論分析和計算結(jié)果是一致的。三、補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計3.1原始系統(tǒng)的設(shè)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(shù)GO(s)為： 假設(shè)PWM鋸齒波幅值為Vm=1.5V

4、，采樣電阻Rx=3.5kohm，Ry=1.5kohm。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3-1所示，MATLAB的程序如下： num=0.000180 2.4;den=0.000000045 0.00003 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);圖 3-1 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補償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)計算 采用如圖3-2所示的PI補償網(wǎng)絡(luò)。 PI環(huán)節(jié)是將偏差的比例（P）、積分(I

5、)環(huán)節(jié)經(jīng)過線性組合構(gòu)成控制量。稱為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)過程中，當(dāng)輸入和負(fù)載變化迅速時，此環(huán)節(jié)基本沒有作用，但由于積分環(huán)節(jié)的引入在經(jīng)過足夠長的時間可以將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到無差狀態(tài)。圖3-2采樣電壓為1.5V則取采樣電阻R6、R7分別為3.5K和1.5K。如圖所示我采用的是PSIM自帶的PI調(diào)節(jié)器，查用戶手冊得到其傳遞函數(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M

6、ATLAB上仿真得到k=20時較為理想。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3-3 則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為： 通過matlab繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：num=0.000180 2.4;den=0.000000045 0.00003 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=0.00018 2.4;den=0.000000

7、045 0.00003 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3-4 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。四、系統(tǒng)仿真1、總電路圖的設(shè)計如圖4-1 圖4-12、電路仿真由圖可見，加入補償網(wǎng)絡(luò)后，輸出電壓穩(wěn)定在5V左右。 由圖可見，電路加入20%的負(fù)載后，電路輸出電壓有了0.19的增加。 總電路圖設(shè)計采用Multisim軟件。

8、Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。五、小結(jié) 總體來說這次的課程設(shè)計比較圓滿.我在BUCK電路原理的基礎(chǔ)上建立了小信號等效電路模型, 并通過對PI控制器的設(shè)計，以及使用MATALAB和Multisim對電路進行仿真，基本實現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并通過負(fù)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(rèn)識，可以較為

9、熟練的使用Multisim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(shù)的伯德圖。我深刻的認(rèn)識到要真正掌握知識就要學(xué)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(xué)好本專業(yè)，也有利于我們將來的工作。參考文獻1張衛(wèi)平等.開關(guān)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(guān)電源(Buck電路)的小信號模型及環(huán)路設(shè)計J. 電源技術(shù)應(yīng)用,2004,7(3):142-145.3楊旭等.開關(guān)電源技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.03.4張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計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：機械工業(yè)出版社，20