基于PD控制方式的2A开关电源的Multisim仿真.doc

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY基于PD控制方式的2A开关电源的Multisim仿真学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化姓名：班级：学号：17目录一 绪论3二 实验目的3三 实验要求3四 主电路功率的设计3 4.1buck 电路图3 4.2用Multisim软件参数扫描法计算4五 补偿网络设计6 5.1原始系统的设计6 5.2补偿网络的设计：控制方式为PD7六 负载突加突卸11 6.1满载运行11 6.2突加突卸80%负载14七 心得体会15附：参考文献16一 绪论随着电子技术的不断发展对电源的要求也不断的提高，开环的电源应该说早就不能满足要求，无论是在输出参数的精度还是抗干扰能力方面都比不上闭环控制系统。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定，需要引入一个负反馈。粗略的讲，只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节，这样就使问题变得复杂了。要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧，设计出合理的控制器，用控制器来改造控制对象的特性。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Multisim用实例来研究PD控制器的调节作用。二 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. 三 实验要求输入直流电压()：10V； 输出电压()：5V； 输出电流()：2A； 输出电压纹波()：50mV； 基准电压()：1.5V； 开关频率()：100kHz；四 主电路功率的设计4.1buck 电路图buck 电路4-1-1：buck 电路 图4-1-1的乘积趋于常数5080F，我使用62.5*F，由式(1)可得=125m，C=500F开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如下式所示： D设二极管的通态压降=0.5V，电感中的电阻压降=0.1V，开关管导通压降=0.5V。 经计算得 L=61.6H。负载电阻计算4.2用Multisim软件参数扫描法计算当L=51.6uH，L=61.6uH, L=71.6uH时，输出电压的纹波如图4-2-1和4-2-2所示。图4-2-1图4-2-2当L=51.6uH，L=61.6H, L=71.6uH时，输出电流的纹波如图4-2-3和4-2-4所示。图4-2-3图4-2-4五 补偿网络设计5.1原始系统的设计 采用小信号模型分析方法得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为： 假设PWM锯齿波幅值1.5V，3k，1.3k，由此可得采样网络传递函数 )(=0.3，原始回路直流增益)(3。) 采样网络的传递函数为：品质因数 双重极点频率： =907.33Hz根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图5-1-1所示，MATLAB的程序如下：num1=0.000125 2;den1=0.0000000308 0.00002464 1;figure(1);mag,phase,w=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)图5-1-1如图所得，该系统相位裕度 39.5度，穿越频率为1.67e+003Hz,所以该传递函数稳定性和快速性均不好。需要加入补偿网络使其增大穿越频率和相位裕度。 使其快速性和稳定性增加5.2补偿网络的设计：控制方式为PD补偿电路如图5-2-1图5-2-1PD补偿网络其传递函数为： ， （5） , ,（6）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穿越频率必须小于开关频率的一半，系统才会稳定，一般情况下可以取穿越频率小于开关频率的1/5。设相位裕度取15kHZ。PD补偿网络的零、极点频率计算公式为： （7）由式（6）可得： (8)PD补偿网络直流增益为：（9）由式（7）、（8），可得PD补偿网络的传递函数GC(s)为：（10）绘制PI传递函数伯德图，程序如下：num=1.3e-3 55.74;den=2.74e-6,1;g=tf(num,den);margin(g)根据上面计算，可绘出PD补偿网络传递函数GC(s)的波特图如图6所示，整个系统的传递函数为： （11）通过matlab绘制系统伯德图，程序如下：num=2;den=0.0000000308 0.00002464 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=1.3e-3 55.74; den=2.74e-6,1;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=2;den=0.0000000308 0.00002464 1;f=tf(num,den);num1=1.3e-3 55.74; den1=2.74e-6,1;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)总系统伯德图如下图：由图可得系统的相位裕度为51.3度，穿越频率为14.5khz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。步骤3 补偿网络电路中的参数计算由式（6）的三个计算公式可得：设R1=R2=30K，由上式可得：R0=1.08K，R3=1.996K，C1=1.375nF（注:在实际电路中，取：R0=5.55K，R3=2K，C1=2nF）由于，有20%100%的负载扰动)六 负载突加突卸6.1满载运行电路图如图6-1-1所示图6-1-1输出电压纹波电路图如图6-1-2和6-1-3所示加入补偿网络后，输出电压稳定在5V左右。总电路图设计采用Multisim软件。图6-1-2图6-1-3输出电流纹波如图6-1-4和6-1-5所示输出电流稳定在2A左右。图6-1-4图6-1-56.2突加突卸80%负载电路图如图6-2-1所示 图6-2-1突加突卸如图6-2-2和6-2-3所示 图6-2-2图6-2-3七 心得体会本文以Buck变换器为研究对象，学习了PD补偿网络在恒压原单环控制中的应用特点，关注了稳态误差、瞬态响应和高频干扰抑制能力。通过理论的研究和公式推导设计出了PD控制小信号模型和传递函数，并且设计出了具体的电路的参数，以及对设计的电路进行了仿真。通过这次设计主要取得了如下成果：掌握了一定的电力电子建模知识、开关变换器的建模知识；对PD控制在Buck变换器的应用上有了较好的认识；熟练运用Multisim，Matlab等仿真软件；对开关电源的用途、现状与发展有了新的体会。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 张占松，张心益主编.开关电源技术教程M .北京：机械工业出版社，2012：4-11.3 陈丽兰主编.自动控制原理M