基于PI控制方式的10A开关电源Multisim仿真研

基于PI控制方式的10A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：1姓名：学号：目录320431、绪论 3TOC\o"1-2"\h\u320432、实验目的 349843、实验要求 3TOC\o"1-2"\h\u49844、主电路设计 3130644.1、buck电路 4130644.2、用Multisim软件参数扫描法验证数据 5130644.3、原始系统增益的计算 649845、补偿网络的设计 7130645.1、补偿网络电路图 766285.2、传递函数计算 866285.3、绘制伯德图 949846、总电路各种状况下运行检测 10130646.1、负载满载运行电路图及波形仿真 1266286.2、负载突加突卸80%时的电路图及波形仿真 1366286.3、电源突加突卸20%时的电路图及波形仿真 1449847、总结 154984附：参考文献 16绪论开关电源是一个带有闭环控制的高阶—离散—非线性—时变系统，不能直接应用经典控制理论分析和设计，这给开关电源调节系统的动态分析和设计带来了很大困难。自20世纪80年代以来，开关电源的建模与控制一直是电力电子学研究领域的重要内容之一，并已取得了许多成果，在理论方面基本接近完整，在工程实际应用方面也基本成熟。目前，开关电源变换器以它的高效率、小体积、重量轻等特点，已用来作为电脑、家电、通信设备等现代化用电设备的电源，为世界电子工业产品的小型化、轻型化、集成化作出了很大的贡献。在开关电源中，变换器占据着重要地位，其中Buck变换器是最常用的变换器，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。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；PID控制器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但实现与调试要复杂一些。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.3、实验要求输入直流电压(VIN)：10V；输出电压(VO)：5V；输出电流(IN)：10A；输出电压纹波(Vrr)：50mV；基准电压(Vref)：1.5V；开关频率(fs)：100kHz。主电路设计4.1、buck电路1、buck电路图图（4-1-1）buck电路2、buck主电路参数的计算（1）滤波电容参数计算输出电压纹波只与电容C和电容等效电阻有关：通常并未直接给出，但趋于常数，约为，此处取可得：可得： 取实际取实际（2）滤波电感参数计算根据基尔霍夫电压定律，可知开关管导通与关断状态下输入电压和输出电压满足下列方程:(式1）且有假设Buck变换器性能要求，假设二极管D的通态压降,电感L中的电阻压降为,开关管S中的导通压降,且有串联电阻值为：将数据代入式1，可知：上式/下式可知：且已知解得：导通时间电感取实际占空比4.2、用Multisim软件参数扫描法验证数据当，电感电流和输出电压的波形分别如下：图（4-2-1）输出电感电流波形图（4-2-2）输出电压波形经过Muitisim仿真可得图4-2-1电感电流波形及图4-2-2输出电压波形，可知当,电感电流、输出电压足以及输出电压纹波为50mV的要求。4.3原始系统增益的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：假设PWM锯齿波幅值,采样电阻，，由此可得采样网络传递函数为：原始回路直流增益：对数增益：代入原始回路增益函数可得：解得：（式a)使用MATLAB画出原始回路增益函数伯德图：num=conv[1.5e-42];den=[3.75e-82.5e-51];g=tf(num,den);margin(g)图（4-3-1）原始回路增益函数伯德图由图4所示伯德图易看出：相位裕度：41.3°穿越频率：根据要求相位裕度应达到50°--55°，且有开环传递函数的穿越频率应为开关频率的1/5--1/10之间,即为10-20kHz。可见，原始回路增益函数既不满足相位裕度的要求，也不满足穿越频率的要求，所以必须提高其相位裕度、穿越频率。5、补偿网络的设计5、1补偿网络电路图采用如图6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（5-1-1）补偿网络电路图5、2传递函数计算PI补偿网络传递函数为：其中，。系统总的传递函数为：设穿越频率为，则系统的对数幅频特性为：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,k=20.则PI传递函数为：5、3绘制伯德图绘制PI传递函数伯德图如图5-2所示，程序如下：num=con[4.2e-520];den=[2.1e-5,0];g=tf(num,den);margin(g)图（5-3-1）PI传递函数伯德图则系统总的传递函数为：通过matlab绘制系统伯德图，程序如下：Go=tf([1.5e-42],[3.75e-82.5e-51])num=[4.2e-420];den=[2.1e-50];Gc=tf(num,den)G=series(Go,Gc)margin(Go);holdon;margin(Gc);holdon;margin(G);holdon;gridon;总的伯德图：图（5-3-2）总系统的传递函数伯德图由图可得系统的相位裕度为54.6度，穿越频率为14.6khz，系统的的快速性和稳定性都得到改善。总电路各种状况下运行检测6.1负载满载运行电路图及波形仿真6.1.1负载满载运行电路图图（6-1-1）负载满载电路图6.1.2负载满载运行波形仿真图（6-1-2）负载满载波形仿真图（6-1-3）负载满载输出电压波形仿真图6-1-4负载满载输出电流波形仿真6.2负载突加突卸80%时的电路图及其波形仿真6.2.1负载突加突卸80%参数计算6.2.1负载突加突卸80%运行时的电路图图（6-2-1）负载突加突卸80%运行时电路图6.2.2负载突加突卸80%运行时的波形仿真图（6-2-1）负载突加突卸80%运行时仿真图图（6-2-2）负载突加突卸80%运行时输出电流仿真图图（6-2-3）负载突加突卸80%运行时输出电流仿真图由仿真可以得出PI补偿网络基本实现了补偿控制功能。6.3、电源突加突卸20%时的电路图及波形仿真6.3.1电源突加突卸20%运行时的电路图图（6-3-1）电压突加突卸80%运行时仿真图6.3.2电源突加突卸20%运行时的波形仿真图（6-3-2）电压突加突卸80%运行时仿真图7、总结在做这次作业前本是自信满满，然而在做的过程中发现了许多问题。还记得老师第一次跟我们提及这份作业时，我和同学都认为很简单，因为以前做过类似的作业。在实际的过程中却发现并不如此。自己相关学科很薄弱，没有形成一套较为完整的知识体系，如电力电子技术、自动控制原理等知识根本没有掌握的很好；老师要求我们每个人使用一种控制方法，使用不同软件达到不同的功能，最让人担心的是那些软件在这份作业之前从未接触过。在做的刚开始我我查了许多资料但是仍完全没有思路，Buck变换器是怎样的工作原理，怎样测电压、测电流，怎样使用Matlab进行编程，怎样用Multisim进行仿真。第一次使用Matlab时，就不会写程序，不断地查资料、请教，终于对这个软件有了基本的了解。刚解决这个问题，Multisim的问题又层出不穷。连基本的元器件的位置，画法都不知道。至今都无法理解Multisim软件中的电阻居然有正负极性。特别是在补偿回路上，有许多不理解的地方。比如，同一参数补偿电路在三种软件仿真中的效果各不相同，这给我带来了很大困扰。好在一直没有放弃，从一开始什么都不懂的状态到慢慢构建出主电路图，测出主电路负载的电压、电流波形，渐渐地遇到了很多困难，比如说电流值偏大、电压偏小、响应时间很慢，后来通过一次次的调节参数，最终尽自己的能力解决了那些问题。通过此次作业，让我受益良多。当我们做任何事时都要用心去做，不能三心二意。平时专业知识的积累是很重要的，在日常的学习过程中应该学会总结，学会积累，学会把学科之间联系起来，形成一套较为完整的学科体系。同时，在实践过程中，我们会遇到很多问题，在问题前不应该退缩，停滞不前，而应该通过自己一次次的尝试去解决问题，遇到不懂的问题要虚心请教。不能遇到问题就逃避，我们不在是小孩子，不能永远让别人来喂。这才是我们做作业的目的所在。也只有这样我们才能在未来的社会中占得一席之地。参考文献：[1]张占松，张心益.开关电源技术教程：机械工业出版社2012.8[2]张卫平.开关变换器的建模与控制：中国电力出版社2006.1[3]蔡宣三，倪本来.开关电源设计与制作基础：电子工业出版社2012.6[4]尹勇，李林凌.Multisim电路仿真入门与进阶：科学出版社2005.2[5]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002:258～263.[6]许泽刚，李俊生，郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报.2008[7]陈丽兰.自动控制原理教程（第二版）：电子工业出版社2010.8基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控