基于PI操纵方式的10A开关电源Multisim仿真研.docx

1、基于PI操纵方式的10A开关电源Multisim仿真研基于PI操纵方式的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： 1、绪论开关电源是一个带有闭环操纵的高阶离散非线性时变系统，不能直接应用经典操纵理论分析和设计，这给开关电源调剂系统的动态分析和设计带来了专门大困难。自20世纪80年代以来，开关电源的建模与操纵一直是电力电子学研究领域的重要内容之一，并已取得了许多功效，在理论方面大体接近完整，在工程实际应用方面也大体成熟。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

2、源，为世界电子工业产品的小型化、轻型化、集成化作出了专门大的奉献。在开关电源中，变换器占据着重腹地位，其中Buck变换器是最经常使用的变换器，工程上经常使用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Buck族，其优势有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。但是其输出电压纹波较大，buck电路系统的抗干扰能力也不强。经常使用的操纵器有比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例-积分-微分（PID）等三种类型。PD操纵器能够提供超前的相位，关于提高系统的相位裕量、减少调剂时刻等十分有利，但无益于改善系统的操纵精度；PI操纵器能够保证系统的操纵精度，但会引发相位滞后，是以捐躯系统的快速性为

3、代价提高系统的稳固性；PID操纵器兼有二者的优势，能够全面提高系统的操纵性能，但实现与调试要复杂一些。2、实验目的(1)了解Buck变换器大体结构及工作原理；(2) 把握电路器件选择和参数的计算；(3) 学会利用Multisim仿真软件对所设计的开环降压电路进行仿真;(4) 学会利用Multisim仿真软件对操纵环节的仿真技术;(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4.一、buck

4、电路一、buck 电路图图（4-1-1）buck 电路二、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和电容等效电阻有关： 通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可得： 可得： 取实际 取实际（2）滤波电感参数计算依照基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压知足以下方程: (式1）且有 假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻值为：将数据代入式1，可知： 上式/下式可知：且已知解得： 导通时刻 电感 取实际 占空比 4.二、用Multisim软件参数扫描法验证数据当，电感电流和

5、输出电压的波形别离如下：图（4-2-1）输出电感电流波形图（4-2-2） 输出电压波形通过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,电感电流、输出电压足和输出电压纹波为50mV的要求。4.3 原始系统增益的计算采纳小信号模型分析方式可得Buck变换器原始回路增益函数：假设PWM锯齿波幅值,采样电阻，由此可得采样网络传递函数为： 原始回路直流增益：对数增益： 代入原始回路增益函数可得：解得： （式a) 利用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图： num=conv1.5e-4 2; den=3.75e-8 2.5e-5 1; g=tf(num,den);

6、 margin(g) 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：依照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知足相位裕度的要求，也不知足穿越频率的要求，因此必需提高其相位裕度、穿越频率。五、补偿网络的设计五、1补偿网络电路图采纳如图6所示的PI补偿网络。 PI环节是将误差的比例（P）、积分(I)环节通过线性组合组成操纵量。称为PI调剂器。这种调剂器由于引入了积分环节（I）因此在调剂进程中，当输入和负载转变迅速时，此环节大体没有作用，但由于积分环

7、节的引入在通过足够长的时刻能够将系统调剂到无差状态。 图（5-1-1）补偿网络电路图五、2 传递函数计算PI补偿网络传递函数为：其中，。系统总的传递函数为：设穿越频率为，那么系统的对数幅频特性为：其中，振荡阻尼系数为了增加系统的快速性，需要提高穿越频率，一样穿越频率以小于1/5较为适当。本次取=15khz，那么穿越频率。将数据代入得 相位裕度 ： 一样相位裕度为： 则 取,k=20.那么PI传递函数为：五、3绘制伯德图绘制PI传递函数伯德图如图5-2所示，程序如下： num=con4.2e-5 20; den=2.1e-5,0; g=tf(num,den); margin(g)图（5-3-1）

8、 PI传递函数伯德图那么系统总的传递函数为： 通过matlab绘制系统伯德图，程序如下： Go=tf(1.5e-4 2,e-8 2.5e-5 1) num=4.2e-4 20; den=e-5 0; Gc=tf(num,den) G=series(Go,Gc) margin(Go);hold on; margin(Gc);hold on; margin(G);hold on; grid on;总的伯德图：图（5-3-2）总系统的传递函数伯德图由图可得系统的相位裕度为54.6度，穿越频率为14.6khz，系统的的快速性和稳固性都取得改善。6、总电路各类状况下运行检测6.1 负载满载运行电路图及波

9、形仿真图（6-1-1）负载满载电路图图（6-1-2）负载满载波形仿真图（6-1-3）负载满载输出电压波形仿真图6-1-4负载满载输出电流波形仿真6.2 负载突加突卸80%时的电路图及其波形仿真6.2.1 负载突加突卸80%参数计算6.2.1 负载突加突卸80%运行时的电路图图（6-2-1）负载突加突卸80%运行时电路图6.2.2负载突加突卸80%运行时的波形仿真图（6-2-1）负载突加突卸80%运行时仿真图图（6-2-2）负载突加突卸80%运行时输出电流仿真图图（6-2-3）负载突加突卸80%运行时输出电流仿真图由仿真能够得出PI补偿网络大体实现了补偿操纵功能。6.3、电源突加突卸20%时的电

10、路图及波形仿真6.3.1 电源突加突卸20%运行时的电路图图（6-3-1）电压突加突卸80%运行时仿真图6.3.2 电源突加突卸20%运行时的波形仿真图（6-3-2）电压突加突卸80%运行时仿真图7、总结在做这次作业前本是自信满满，但是在做的进程中发觉了许多问题。还记得教师第一次跟咱们提及这份作业时，我和同窗都以为很简单，因为以前做过类似的作业。在实际的进程中却发觉并非如此。自己相关学科很薄弱，没有形成一套较为完整的知识体系，如电力电子技术、自动操纵原理等知识全然没有把握的专门好；教师要求咱们每一个人利用一种操纵方式，利用不同软件达到不同的功能，最让人担忧的是那些软件在这份作业之前从未接触过。

11、在做的刚开始我我查了许多资料可是仍完全没有思路，Buck变换器是如何的工作原理，如何测电压、测电流，如何利用Matlab进行编程，如何用Multisim进行仿真。第一次利用Matlab时，就可不能写程序，不断地查资料、请教，终于对那个软件有了大体的了解。刚解决那个问题，Multisim的问题又层出不穷。连大体的元器件的位置，画法都不明白。至今都无法明白得Multisim软件中的电阻竟然有正负极性。专门是在补偿回路上，有许多不睬解的地址。比如，同一参数补偿电路在三种软件仿真中的成效各不相同，这给我带来了专门大困扰。好在一直没有舍弃，从一开始什么都不懂的状态到慢慢构建出主电路图，测出主电路负载的电

12、压、电流波形，渐渐地碰到了很多困难，比如说电流值偏大、电压偏小、响应时刻很慢，后来通过一次次的调剂参数，最终尽自己的能力解决了那些问题。通过这次作业，让我受益良多。当咱们做任何事时都要用心去做，不能三心二意。平常专业知识的积存是很重要的，在日常的学习进程中应该学会总结，学会积存，学会把学科之间联系起来，形成一套较为完整的学科体系。同时，在实践进程中，咱们会碰到很多问题，在问题前不该该畏缩，停滞不前，而应该通过自己一次次的尝试去解决问题，碰到不懂的问题要虚心请教。不能碰到问题就逃避，咱们不在是小小孩，不能永久让他人来喂。这才是咱们做作业的目的所在。也只有如此咱们才能在以后的社会中占得一席之地。参考文献：1张占松，张心益2张卫平3蔡宣三，倪本来4尹勇，李林凌5王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2002:258263.7