毕业论文-基于PI控制方式的3A开关电源Multisim仿真研究

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY基于PI控制方式的3A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：目录TOC\o"1-6"\h\u15472一、绪论 32286二、BUCK总电路设计 3300362.1技术指标 3136772.2主电路参数计算 3134292.3用Multisim软件参数扫描法计算 519415三、补偿网络设计 743383.1原始系统的设计 714873.2补偿网络相关参数计算 826845四、负载突加突卸 1241444.1满载运行 12103544.2突加突卸80%负载 1430185五、心得体会 1518430参考文献 16一、绪论开关调节系统常见的控制对象，包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。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。例如，已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢，如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以，开关调节系统设计要同时解决稳、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。PD控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；PI控制器能够保证系统的控制精度，但会引起相位滞后，是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性。二、BUCK总电路设计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。2.1技术指标输入直流电压(VIN)：10V输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：3A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。2.2主电路参数计算Buck变换器主电路如图（1-1）所示，其中Rc为电容的等效电阻。图（1-1）(1)滤波电容参数计算输出纹波电压只与电容C的大小有关及Rc有关：(2.1)将，带入得，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，但是C与Rc的乘积趋于常数，约为。本例中取为则：（此处取900uF）。(2)滤波电感参数计算当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式（2.2）、（2.3）所示：（2.2）（2.3）假设二极管的通态压降，电感中的电阻压降，开关管的导通降。又因为（2.4）所以由式（2.2）、（2.3）、（2.4）联立可得，并将此值回代式(2.2)，可得L=41uH。（3）负载电阻计算（2.5）2.3用Multisim软件参数扫描法计算当L=31uH，L=41uH,L=51uH时，，输出电压的纹波如图(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)所示。图(2-1)图（2-2）图（2-3）图（2-4）当L=31uH，L=41uH,L=51uH时，输出电流的纹波如图（2-5）、（2-6）所示。图（2-5）图（2-6）三、补偿网络设计3.1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：（3.1）假设PWM锯齿波幅值为Vm=1.5V，采样电阻Rx=3.5kohm，Ry=1.5kohm。采样网络的传递函数为：（3.2）根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图（3-1）所示，MATLAB的程序如下：num=[0.0001502];den=[0.00000003690.0000241];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);图（3-1）如图所得，该系统相位裕度41.4度，穿越频率为1.54kHz,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，增加系统快速和稳定性。3.2补偿网络相关参数计算用如图（3-2）所示的PI补偿网络。PI环节是将偏差的比例（P）、积分(I)环节经过线性组合构成控制量。称为PI调节器。这种调节器由于引入了积分环节（I）所以在调节过程中，当输入和负载变化迅速时，此环节基本没有作用，但由于积分环节的引入在经过足够长的时间可以将系统调节到无差状态。图（3-2）采样电压为1.5V则取采样电阻R6、R7分别为3.5K和1.5K。PI补偿网络传递函数为：（3.3）其中，。系统总的传递函数为：（3.4）设穿越频率为，则系统的对数幅频特性为：（3.5）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，一般穿越频率以小于1/5较为恰当。本次取=15khz，则穿越频率。将数据代入得相位裕度一般相位裕度为：则取,将K取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20时较为理想。则PI传递函数为：（3.6）绘制PI传递函数伯德图图（3-3），程序如下：num=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)图（3-3）则系统总的传递函数为：（3.7）通过matlab绘制系统伯德图，程序如下：num=[0.0001502];den=[0.00000003690.0000241];g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);holdonnum=[40e-520];den=[2e-5,0];g=tf(num,den);margin(g);holdonnum=[0.000152];den=[0.00000003690.0000241];f=tf(num,den);num1=[40e-520];den1=[2e-50];g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)总系统伯德图如下图（3-4）：（3-4）由图可得系统的相位裕度为54.1度，穿越频率为14.9khz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。四、负载突加突卸4.1满载运行图（4-1）满载运行的电路图如图（4-1）所示，仿真结果如图（4-2）（4-3）所示。（4-2）图（4-3）4.2突加突卸80%负载计算参数：电路图如图（4-4）所示：图（4-4）仿真结果如图（4-5）（4-6）所示。图（4-5）（4-6）五、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]张卫平等.开关变换器的建模与控制[M].北京:中国电力出版社,2006.01.[2]万山明,吴芳.开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计[J].电源技术应用,2004,7(3):142-145.[3]杨旭等.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2004.03.[4]张占松，蔡宣三.开关电源的原理