基于PI控制方式的10A开关电源Multisim仿真研

1基于PI控制方式的10A开关电源Multisim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：1姓名：学号：2目录1、绪论.........................................................................................................................32、实验目的..................................................................................................................33、实验要求..................................................................................................................32、实验目的................................................................................................................................................................33、实验要求..................................................................................................................................................................31、buck电路........................................................................................................................................................34.2、用Multisim软件参数扫描法验证数据....................................................................................................54.3、原始系统增益的计算...................................................................................65、补偿网络的设计.....................................................................................................75.1、补偿网络电路图..........................................................................................75.2、传递函数计算..............................................................................................85.3、绘制伯德图..................................................................................................96、总电路各种状况下运行检测................................................................................106.1、负载满载运行电路图及波形仿真............................................................126.2、负载突加突卸80%时的电路图及波形仿真.............................................136.3、电源突加突卸20%时的电路图及波形仿真.............................................147、总结........................................................................................................................15附：参考文献...........................................................................................................1631、绪论开关电源是一个带有闭环控制的高阶—离散—非线性—时变系统，不能直接应用经典控制理论分析和设计，这给开关电源调节系统的动态分析和设计带来了很大困难。自20世纪80年代以来，开关电源的建模与控制一直是电力电子学研究领域的重要内容之一，并已取得了许多成果，在理论方面基本接近完整，在工程实际应用方面也基本成熟。目前，开关电源变换器以它的高效率、小体积、重量轻等特点，已用来作为电脑、家电、通信设备等现代化用电设备的电源，为世界电子工业产品的小型化、轻型化、集成化作出了很大的贡献。在开关电源中，变换器占据着重要地位，其中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，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。常用的控制器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。2、实验目的(1)了解Buck变换器基本结构及工作原理；(2)掌握电路器件选择和参数的计算；(3)学会使用Multisim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真;(4)学会使用Multisim仿真软件对控制环节的仿真技术;(5)学会分析系统的静态稳压精度和动态响应速度.3、实验要求输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：10A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。4、主电路设计4.1、buck电路1、buck电路图4图（4-1-1）buck电路2、buck主电路参数的计算（1）滤波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：mIViVRNrrLrrC25102.0502.0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：FRCC3000257575可得：mRC25取实际mRC25FC3000取实际FC3000（2）滤波电感参数计算根据基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压INV和输出电压OV满足下列方程:OFFLDLOONLONLOINTiLVVVTiLVVVV(式1）且有skHzfTTsOFFON1010011假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降VVD5.0,电感L中的电阻压降为VVL1.0,开关管S中的导通压降VVON5.0,且有串联电阻值为：5.0105NOLIVR将数据代入式1，可知：56.55.01.054.45.01.0510OFFLONLTiLTiL上式/下式可知：6.54.4ONOFFTT且已知sTTOFFON10解得：导通时间sTON6.5s4.4OFFT电感HL32.12取实际HL5.12占空比56.04.46.56.5OFFONONTTTD4.2、用Multisim软件参数扫描法验证数据当HL5.12，电感电流和输出电压的波形分别如下：图（4-2-1）输出电感电流波形6图（4-2-2）输出电压波形经过Muitisim仿真可得图4-2-1电感电流波形及图4-2-2输出电压波形，可知当HL5.12,电感电流、输出电压足NLIi2.0以及输出电压纹波为50mV的要求。4.3原始系统增益的计算采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数)(0sG：LCsRLssCRVsHVsGCINM201)1()(1)(假设PWM锯齿波幅值VVm5.1,采样电阻kRa8.3，kRb5.1，由此可得采样网络传递函数为：3.08.35.15.1)(babRRRsH原始回路直流增益：2103.05.11)(1)0(0INMVsHVG对数增益：02.62lg20)0(0G代入原始回路增益函数可得：662636)0(0103000105.125.0105.121)10251030001(103.05.11sssG解得：1105.21075.32105.15284)0(0sssG（式a)使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图：7num=conv[1.5e-42];den=[3.75e-82.5e-51];g=tf(num,den);margin(g)102103104105-180-135-90-45045Phase(deg)BodeDiagramGm=Inf,Pm=41.3deg(at1.53e+003Hz)Frequency(Hz)-60-40-2002040Magnitude(dB)图（4-3-1）原始回路增益函数伯德图由图4所示伯德图易看出：相位裕度：41.3°穿越频率：Hz31053.1根据要求相位裕度应达到50°--55°，且有开环传递函数的穿越频率应为开关频率的1/5--1/10之间,即为10-20kHz。可见，原始回路增益函数既不满足相位裕度的要求，也不满足穿越频率的要求，所以必须提高其相位裕度、穿越频率。5、补偿网络的设计5、1补偿网络电路图采用如图6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。8图（5-1-1）补偿网络电路图5、2传递函数计算PI补偿网络传递函数为：TSTSKsGc1)(其中12RRK，1CRT2。系统总的传递函数为：Ts1102.5103.751Ts)1s107.5(2)(5285）（）（sssG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8n103.751，振荡阻尼系数n8--52103.75102.5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1/5sf较为恰当。本次取cf=15khz，则穿越频率rad/s109.42150003.142f24cc。将数据代入90--12arc