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

2、；(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(Vn):15V;输出电压(V):5V;输出电流(In):1A;输出电压纹波(I)：50mV基准电压(Vef)：1.5V;开关频率(fs):100kH4四主电路功率的设计(1)buck电路图4-1-1：Q1buck电路图4-1-1VVrc=nQ,=250也（出于实际考虑选择250nrQ）1- Il0.2Inc*Rc的乘积趋于常数5080uF,我使用62.5Q*F,由式（1）可得R=250mohm

3、C=250F（出于实际考虑取250NF）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-V。“-V°n=LIl/TonVoVlVdLIl/Toff设二极管的通态压降V=0.5V,电感中的电阻压降V=0.1V,开关管导通压降Von=0.5V经计算得L=87.66uH0（注：在实际电路中，取L=88pH）（2）用Multisim软件参数扫描法计算：当L=70uHM,输出电压纹波4-2-1目繇总分析如图4-2-21Time(e当L=80uH时，输出电压纹波如图4-2-2G3vtcJ当L=87.66uH时，输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-1瞬多分千斤S1=iTirrnt

4、i图4-2-1当L=90uHM,输出电压和电流和输出电压纹波如图4-2-3瞬态分析瞬态分析图4-2-3(3)交流小信号模型中电路参数的计算如下:占空比：D=乂Vg直流增益：Gd0=Vg,Gd0dB=20lgGd0双重极点频率：fp0=上=1p02二2二，LCIC品质因数：q°=r_=,Q0dB=20lgQ0LL在具有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fa和终止频率fb,由下可以确定：1/2Q0£fa-10fp0101/2Q0fp0(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G(s)为:Go(s)=

5、VmH(s)Vin1sCRc1sLs2LCR1cc15(162.510%)0.3Z6Z821.5117.53210s2.19610s3187.510s117.53210s2.19610s2假设PWM锯齿波幅值Vm=1.5V,R=3kC,R=1.3kC,由此可得采样网络传递函数H(s)=0.3,原始回路直流增益Ao(s)=3。双重极点频率：,'P01fP0=一P0=1=1.076kHz23.1423.14，LC用matlab画出的G0(s)的伯德图：程序：num=0.0002253;den=0.0000000530.0000349941;mag1,phase1,w1=bode(num,d

6、en);margin(mag,phase,w)40BodeDiagramGm=Inf,Pm=40.3deg(at1.49e+003Hz)OoO-2-4ktidreaprnaaM101102103104105106Frequency(Hz)0505o6449-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:(5)1sZGcs=Gc0,s1.'PG

7、C0RR2R0'p1R3'ZRi/R2R3Ci(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fc是开关频率fs的五分之一，即fc=fs/5=20KHz设相位裕度中m=52。PD补偿网络的零、极点频率计算公式为:fz1-sinm21-sin52206.8KHz1sinm.1sin52f=f1sinm=20pc',1-sinm1(7)1sin5258KHz,1-sin52由式（6）可得:Z=2二fZ=42.8KP=2fP=364.4K(8)PD补偿网络直流增益为:2Gc0fcfp0A0Vf720Kf1:丽”0、1=m一父j=79(9

8、)bfp7603.58由式（7）、（8）,可得PD补偿网络的传递函数G（s）为：1s5Gc（s）=79M42.8父10=794.30/（10）1s12.7410sI3364.4103根据上面计算，可绘出PD#偿网络彳递函数G<s）的波特图如图6所示,整个系统的传递函数为：Gs=G°sGcs=(11)793(12.3410*s)is50010412510”1s17.53210s22.19610”12.7410%其波特图如下图所示由Matlab绘制的波特图可知，fc=19.9KHzFm=52.5,满足设计要求。图1PD补偿网络开环传递函数波特图图2系统总回路传递函数波特图§

9、;邕&聋口口OFreejujency1OT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：11=364.4KR3<11RR2R3Ci-42.8K设R=R=30K,由上式可得：R=0.76K,R=2K,C=1.37nF（注：在实际电路中，取：R=0.8K,R=2K,G=1.5nF）由于，有20%100的负载扰动，20%In=0.2A5V0.2A=25J25'J/ZRn=R=5Rn=6.25，六总电路图的设计(1)总电路图的设计图6-1-1Q1IRF2502L1rw>°L87.66R7iiR2wv-30kQC230kQ=2nF1V115VD2ODE

10、VIRTUALC1=250F4*R1250mQC3二15nF21LR122kQ13RL5QR33kQR13470QOR43kLSSCI8R5J800Q6R6一6_，V32kQ2.5V10士VDDVDDU2A4-V515V5V01816R810kQAAA19XFG1八jitR910kQ517LM139AJ15VV4图6-1-1(2)总电路的仿真图瞬态分析QQ5000|J15m2,0mTime(s)图6-1-2(3)输出电压纹波瞬态分析由图可见，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。Multisim是InteractiveImageTechnologies(

11、ElectronicsWorkbench)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变换器为研究又t象，学习了PEJ卜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空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。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