基于multisim控制方式的仿真研究

1、2013年10月目錄一緒論1二實驗?zāi)康?三實驗要求1四主電路功率的設(shè)計1(1)buck電路1(2)用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算2(3)交流小信號模型中電路參數(shù)的計算3(4)采用小信號模型分析4五補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計5六總電路圖的設(shè)計6(1)總電路圖的設(shè)計圖8(2)總電路的仿真圖9七心得體會10八參考文獻11一緒論Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓撲如正激、半橋、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負載電流的要求，設(shè)計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路二實驗?zāi)康?1)了解Buck變換器基本結(jié)構(gòu)及工作原理；(2)掌握電路器件選擇和參數(shù)的計算

2、；(3)學(xué)會使用Multisim仿真軟件對所設(shè)計的開環(huán)降壓電路進行仿真；(4)學(xué)會使用Multisim仿真軟件對控制環(huán)節(jié)的仿真技術(shù)；(5)學(xué)會分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動態(tài)響應(yīng)速度.三實驗要求輸入直流電壓(Vn):15V;輸出電壓(V):5V;輸出電流(In):1A;輸出電壓紋波(I)：50mV基準電壓(Vef)：1.5V;開關(guān)頻率(fs):100kH4四主電路功率的設(shè)計(1)buck電路圖4-1-1：Q1buck電路圖4-1-1VVrc=nQ,=250也（出于實際考慮選擇250nrQ）1- Il0.2Inc*Rc的乘積趨于常數(shù)5080uF,我使用62.5Q*F,由式（1）可得R=250mohm

3、C=250F（出于實際考慮取250NF）開關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程分別如下式所示：Vin-V?！?V°n=LIl/TonVoVlVdLIl/Toff設(shè)二極管的通態(tài)壓降V=0.5V,電感中的電阻壓降V=0.1V,開關(guān)管導(dǎo)通壓降Von=0.5V經(jīng)計算得L=87.66uH0（注：在實際電路中，取L=88pH）（2）用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算：當(dāng)L=70uHM,輸出電壓紋波4-2-1目繇總分析如圖4-2-21Time(e當(dāng)L=80uH時，輸出電壓紋波如圖4-2-2G3vtcJ當(dāng)L=87.66uH時，輸出電壓和電流和輸出電壓紋波如圖4-2-1瞬多分千斤S1=iTirrnt

4、i圖4-2-1當(dāng)L=90uHM,輸出電壓和電流和輸出電壓紋波如圖4-2-3瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析圖4-2-3(3)交流小信號模型中電路參數(shù)的計算如下:占空比：D=乂Vg直流增益：Gd0=Vg,Gd0dB=20lgGd0雙重極點頻率：fp0=上=1p02二2二，LCIC品質(zhì)因數(shù)：q°=r_=,Q0dB=20lgQ0LL在具有雙重極點的傳遞函數(shù)中，頻率特性在極點頻率附近變化非常劇烈，其中相頻特性變化非常劇烈段的起始頻率fa和終止頻率fb,由下可以確定：1/2Q0£fa-10fp0101/2Q0fp0(4)采用小信號模型分析經(jīng)分析得Buck變換器原始回路增益函數(shù)G(s)為:Go(s)=

5、VmH(s)Vin1sCRc1sLs2LCR1cc15(162.510%)0.3Z6Z821.5117.53210s2.19610s3187.510s117.53210s2.19610s2假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm=1.5V,R=3kC,R=1.3kC,由此可得采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H(s)=0.3,原始回路直流增益Ao(s)=3。雙重極點頻率：,'P01fP0=一P0=1=1.076kHz23.1423.14，LC用matlab畫出的G0(s)的伯德圖：程序：num=0.0002253;den=0.0000000530.0000349941;mag1,phase1,w1=bode(num,d

6、en);margin(mag,phase,w)40BodeDiagramGm=Inf,Pm=40.3deg(at1.49e+003Hz)OoO-2-4ktidreaprnaaM101102103104105106Frequency(Hz)0505o6449-如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度40.3度，穿越頻率為1.49e+003Hz,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。使其快速性和穩(wěn)定性增加。五補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計設(shè)計步驟步驟1本設(shè)計采用的PD補償網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，PD補償網(wǎng)絡(luò)的電路圖如圖5所示PD補償網(wǎng)絡(luò)其傳遞函數(shù)為:(5)1sZGcs=Gc0,s1.'PG

7、C0RR2R0'p1R3'ZRi/R2R3Ci(6)步驟2確定補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。為了提高穿越頻率，設(shè)加入補償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率fc是開關(guān)頻率fs的五分之一，即fc=fs/5=20KHz設(shè)相位裕度中m=52。PD補償網(wǎng)絡(luò)的零、極點頻率計算公式為:fz1-sinm21-sin52206.8KHz1sinm.1sin52f=f1sinm=20pc',1-sinm1(7)1sin5258KHz,1-sin52由式（6）可得:Z=2二fZ=42.8KP=2fP=364.4K(8)PD補償網(wǎng)絡(luò)直流增益為:2Gc0fcfp0A0Vf720Kf1:麗”0、1=m一父j=79(9

8、)bfp7603.58由式（7）、（8）,可得PD補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)G（s）為：1s5Gc（s）=79M42.8父10=794.30/（10）1s12.7410sI3364.4103根據(jù)上面計算，可繪出PD#償網(wǎng)絡(luò)彳遞函數(shù)G<s）的波特圖如圖6所示,整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：Gs=G°sGcs=(11)793(12.3410*s)is50010412510”1s17.53210s22.19610”12.7410%其波特圖如下圖所示由Matlab繪制的波特圖可知，fc=19.9KHzFm=52.5,滿足設(shè)計要求。圖1PD補償網(wǎng)絡(luò)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖圖2系統(tǒng)總回路傳遞函數(shù)波特圖§

9、;邕&聾口口OFreejujency1OT步驟3補償網(wǎng)絡(luò)電路中的參數(shù)計算由式（6）的三個計算公式可得：11=364.4KR3<11RR2R3Ci-42.8K設(shè)R=R=30K,由上式可得：R=0.76K,R=2K,C=1.37nF（注：在實際電路中，?。篟=0.8K,R=2K,G=1.5nF）由于，有20%100的負載擾動，20%In=0.2A5V0.2A=25J25'J/ZRn=R=5Rn=6.25，六總電路圖的設(shè)計(1)總電路圖的設(shè)計圖6-1-1Q1IRF2502L1rw>°L87.66R7iiR2wv-30kQC230kQ=2nF1V115VD2ODE

10、VIRTUALC1=250F4*R1250mQC3二15nF21LR122kQ13RL5QR33kQR13470QOR43kLSSCI8R5J800Q6R6一6_，V32kQ2.5V10士VDDVDDU2A4-V515V5V01816R810kQAAA19XFG1八jitR910kQ517LM139AJ15VV4圖6-1-1(2)總電路的仿真圖瞬態(tài)分析QQ5000|J15m2,0mTime(s)圖6-1-2(3)輸出電壓紋波瞬態(tài)分析由圖可見，加入補償網(wǎng)絡(luò)后，輸出電壓穩(wěn)定在5V左右?？傠娐穲D設(shè)計采用Multisim軟件。Multisim是InteractiveImageTechnologies(

11、ElectronicsWorkbench)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。七心得體會本文以Buck變換器為研究又t象，學(xué)習(xí)了PEJ卜償網(wǎng)絡(luò)在恒壓原單環(huán)控制中的應(yīng)用特點，關(guān)注了穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)和高頻干擾抑制能力。通過理論的研究和公式推導(dǎo)設(shè)計出了PD空制小信號模型和傳遞函數(shù)，并且設(shè)計出了具體的電路的參數(shù)，以及對設(shè)計的電路進行了仿真。通過這次設(shè)計主要取得了如下成果：掌握了一定的電力電子建模知識、開關(guān)變換器的建模知識；對PD控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認識；熟練運用Multisim,Matlab等仿真軟件；對開關(guān)電源的用途、現(xiàn)狀與發(fā)展有了新的體會。10八參考文獻1張建生主編.現(xiàn)代儀器電源M.北京：科學(xué)出版社2005:1-26.2王兆安，黃俊主編.電力電子技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版