毕业设计（论文）-基于PD控制方式的9A开关电源Multisim仿真研究.docx

基于PD控制方式的9A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：13电气卓越 姓名： 学号： 绪论Buck变换器最常用的变换器，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。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。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。本文将通过用multisim实例来研究PD控制器的调节作用。一.设计要求及设计背景1.设计要求依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真；掌握小信号建模的方法，建立Buck变换器原始回路增益函数；采用Matlab绘制控制对象的Bode图；根据控制对象的Bode图，分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。2.设计背景Buck变换器最常用的变换器，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。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。二Buck变换器主电路设计1.1技术指标：输入直流电压(VIN)：12V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：9A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz；1.2主电路及参数计算1.2.1主电路图1 buck主电路1.2.2滤波电容计算输出纹波电压只与电容容量及ESR有关：（1）电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大，但C与RC的乘积趋于常数，约为5080F。本次设计中取为75F，由式（1）可得：RC=27.78m，C=2700F。1.2.3滤波电感的计算 （2）（3）（4） 图2 开关管开通及关断时的等效电路由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程假设： 其中L中串联电阻得当L=16.60uH时，输出电流纹波为： 当L=16.60uH时，输出电压纹波为：当L=16.60H时，电感电流在7.6-9.2A 之间脉动，符合iL0.2IN=1.8A的设计要求，并且理论分析与仿真结果一致。三Buck补偿网络设计图3 Buck变换器控制图3.1原始回路有关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G0（s）为：（5）假设：PWM锯齿波幅值,采样电阻；则采样网络传递函数可得G0(S)=12+S0.910-55+14.810-5S+4.4810-8S2极点频率fp0=12LC=1216.60270010-12=752Hz根据计算结果，在Matlab中输入如下程序：num=0.9*10(-5) 12;den=22.4*10(-8) 14.8*10(-5) 5;H=tf(num,den);bode(H);mag,phase,w=bode(H);gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);得到原始传递函数的波特图如图4所示图4相位裕度：40.3 穿越频率：1.47e3Hz根据要求相位裕度应达到50-55穿越频率提升到（即10kHz-20kHz）均不满足，因此需提高其相位裕度，穿越频率。3.2补偿网络设计步骤步骤1： 本设计采用的PD补偿网络进行设计，PD补偿网络的电路图如图5所示图5 PD补偿网络电路图PD补偿网络其传递函数为： ， （6） , ,（7）步骤2 ：确定补偿网络的参数。为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率fc是开关频率fs的五分之一,即fc=fs/5=20 KHz设相位裕度。PD补偿网络的零、极点频率计算公式为： （8）由式（6）可得：Z=2fz=43.3Krads P=2fP=364.4Krads(9)PD补偿网络直流增益为：Gc0=(fcfp0)21A0fzfp=201000751.67212.46.8958=101.6 （10）由式（7）、（8），可得PD补偿网络的传递函数GC(s)为：GCs=101.61+s43.31031+s364.4103=101.61+2.310-5s1+2.7410-6s（11）在Matlab中输入如下程序:num=101.6*2.3*10(-5) 101.6;den=2.74*10(-6) 1;H=tf(num,den);bode(H);mag,phase,w=bode(H);gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w);margin(H);display(pm);display(gm);可绘出PD补偿网络传递函数GC(s)的波特图如图7所示，整个系统的传递函数为：Gs=G0sGcs=101.61+2.3110-5s1+2.7410-6s12+0.910-5s5+14.810-5s+22.410-8s2在MATLAB中输入如下程序num1=2.4;den1=4.48*10(-8) 29.89*10(-6) 1;g1=tf(num1,den1);num2=1.76022*10(-7) 9.96696*10(-3) 101.6;den2=2.74*10(-6) 1;g2=tf(num2,den2);bode(g1,+,g2,:,g1*g2,-);3.3补偿网络参数计算由上可知设R1=R2=30K,由上式可得： C=1.36nF,R3=2.01k由于，由于有20%100%的负载扰动，所以：20%In=1.8A5/1.8=2.782.78/Rn=R=0.5Rn=0.610四、总电路设计（1） 总电路仿真图（2） 输出电压纹波由图可见，加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。加入负载后(突加突卸80%负载)的总电路图为仿真后所得伯德图为：Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。五.心得体会通过完成本次开关电源的大作业，让我明白了我们现在学习的知识还是很有限的，还有很多新的领域我们没有触及到，如果不是这次的大作业，我觉得我可能不会去学习multisim仿真软件，matlab，也不会跟周围的同学一起研究它们的使用方法，如何仿真，如何画图，如何确定好每一个参数等等。我这次的大作业，提前教会了我如何规范一篇论文的格式要求，也让我更好地学会如何与他人交流，向他人请教，用自己所会的去交换他人所会的来弥补自己所不清楚的内容。此次大作业，也教会了我如何去学习课本以外的文献来丰富自己的知识，并把这些文献的内容为自己所用。我觉得此次大作业为我的大四学年的毕业设计打下了坚实的基础，让我更有信心来去面对和完成将来的毕业设计。参考文献1 张建生主编.现代仪器电源M .北京：科学出版社2005：1-26.2 王兆安，黄俊主编.电力电子技术M .北京：机械工业出版社，2000：94-96.3 陈丽兰主