基于multisim控制方式的仿真研究

1、2013 年 10 月 目录 一 绪论 1 二 实验目的 1 三 实验要求 1 四 主电路功率的设计 1 （ 1） buck 电路 1 （2）用 Multisim 软件参数扫描法计算 2 （3） 交流小信号模型中电路参数的计算 3 （ 4）采用小信号模型分析 4 五 补偿网络的设计 5 六 总电路图的设计 6 （ 1）总电路图的设计图 8 （ 2）总电路的仿真图 9 七 心得体会 10 八 参考文献 11 一 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，现以 Buck 变换器为例，依据不同负载电流的要求，设计主功率电路，并采用 单电压

2、环、电流 - 电压双环设计控制环路 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 (VIN) ：15V； 输出电压 ( VO) ：5V； 输出电流 (I N) ： 1A； 输出电压纹波 (Vrr) ：50mV； 基准电压 (Vref ) ：1.5V； 开关频率 (f s) ： 100kHz。 四 主电路功率

3、的设计 1)buck 电路图 4-1-1 R4 5 1 buck 电路 图 4-1-1 V rr V rr RCirr0.2 rrI =250m（出于实际考虑选择 250m） c*Rc的乘积趋于常数 5080uF，我使用 62.5*F，由式（1） 可得RC=250mohm， C=250F 出于实际考虑取 250 F） 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： VIN VO VL VON L iL /TON VO VL VDL iL /TOFF 设二极管的通态压降 VD=0.5V，电感中的电阻压降 VL=0.1V，开关管导通压降 VON=0.5V 经计算得 L=87.66uH 。（

4、注：在实际电路中，取 L=88H） 2）用 Multisim 软件参数扫描法计算： 当L=70uH时，输出电压纹波 4-2-1 当 L=80uH时，输出电压纹波如图 4-2-2 如图4-2-2 当L=87.66uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图 4-2-1 图4-2-1 当L=90uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图 4-2-3 图4-2-3 (3) 交流小信号模型中电路参数的计算如下： V Vg 占空比： 直流增益： V Gd0 DVg ， Gd0 dB20lgGd0 双重极点频率： p0 1 fp0 2 2 LC 品质因数： C Q0 R L ， Q0 dB 20lgQ0 在具有

5、双重极点的传递函数中，频率特性在极点频率附近变化非常剧烈，其中相频特性变 化非常剧烈段的起始频率 f a 和终止频率 f b，由下可以确定： 1/2Q0 fa 10f p0 1/2Q0 fb 100 f p0 4)采用小信号模型分析 经分析得 Buck 变换器原始回路增益函数 GO(s) 为： 1 GO (s)V Vm VIN 1 sCRC 1 sL s2LC R 1 15(1 62.5 10 187.5 10 6 s 1 17.532 10 6s 2.196 10 8s2 假设 PWM锯齿波幅值 Vm1.5V，RX3k ， Ry 1.3 k ，由此可得采样网络传递函数 H(s)=0.3，原始

6、回路直流增益 Ao(s) 3。 双重极点频率 : s) fP0 P0 1 2 3.14 2 3.14 LC =1.076kHz 1.5 0.3 1 17.532 10 6s 2.196 10 8s2 用 matlab 画出的 G0( s)的伯德图： 程序： num=0.000225 3; den=0.000000053 0.000034994 1; mag1,phase1,w1=bode(num,den); margin(mag,phase,w) )ged(esah Bode Diagram Gm = Inf , Pm = 40.3 deg (at 1.49e+003 Hz) 0 2 )Bd(

7、edutinga 2 3 4 10 10 10 Frequency (Hz) 5 10 10 - 6 如图所得，该系统相位裕度 40.3 度，穿越频率为 1.49e+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。 五 补偿网络的设计 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 PD补偿网络其传递函数为： GC sGC 0 1 s 1s 5） GC0 R1 R2 R0 1 1 R1 /R2 R3 C1 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

8、开环传递函数的穿越频率 f c是开关频率 f s的五分之一 , 即 f c=f s/5=20 KHz 设相位裕度 m 52 。 PD补偿网络的零、极点频率计算公式为： 1 sin m 20 1 sin52 6.8KHz 1 sin m 1 sin52 f 1 sin m p fc 1 sin m 20 1 sin52 58KHz （7） 1 sin52 由式（ 6）可得： Z 2 fZ 42.8K P 2 f P 364.4K （8） PD补偿网络直流增益为： 2 1 f Z20K 2 1 6.8 79 （ 9） f p0A0 f P760 3 58 由式（ 7）、（8），可得 PD补偿网络的

9、传递函数 GC（s） 为： 1 s 5 GC s 79 42.8 10 79 1 2.34 10 6s （10） C 1 s 1 2.74 10 6s 13 364.4 103 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： Gc0 P 760 3 58 79 （9） G s G0 sGC s 1 s 17.532 10 6 s2 2.196 10 8 1 2.74 10 6s （11） 由 Matlab 绘制的波特图可知， 图2 系统总回路传递函数波特图 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： R1R0R

10、2 79 1 R3 C1 364.4K 1 R1 / R2 R3 C1 42.8K 设 R1=R2=30K，由上式可得： R0=0.76K，R3=2K，C1=1.37nF（注: 在实际电路中，取： R0=0.8K，R3=2K，C1=1.5nF） 由于，有 20%100%的负载扰动， 20%I N 0.2A 5V 0.2A 25 25 / Rn R 5 Rn 6.25 六 总电路图的设计 （1）总电路图的设计图 6-1-1 V1 15 V Q1 IRF250 2 L1 87.66 D2 H C1 250F RL 5 R3 3k ODE VIRTUAL R1 250m R4 3k 13 C3 15

11、nF 21 R13 470 8 R5 800 6 R6 6 V32k 2.5 V R11 20 12 V2 1 V/V 15 V5 V5 R7 30k 10 8 VDD 15 V 5V 11 R2 C2 30k 2nF R12 2k 0 V6 5 V 5 V0 U1A TL072CD VDD XFG1 18 U2A 4 14 16 17 R8 10k R9 10k LM139AJ 19 R10 4.7k 20 V4 15 V 图 6-1-1 2)总电路的仿真图 图 6-1-2 3)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。 总电路图设计采用 Multisim 软件。

12、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。 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

13、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。 10 八 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 陈丽兰主编 . 自动控制原理 M . 北京：电子工业出版社， 2006：73-74. 4 张卫平主编 . 开关变换器的建模与控制 M . 北京：中国电力出版社， 2005： 134-141.