基于multisim控制方式的仿真研究.docx
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基于multisim控制方式的仿真研究
2013年10月
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;
(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(IN):
1A;
输出电压纹波(Vrr):
50mV;
基准电压(Vref):
1.5V;
开关频率(fs):
100kHz。
四主电路功率的设计
(1)buck电路图4-1-1:
buck电路图4-1-1
=250mΩ(出于实际考虑选择250mΩ)
c*Rc的乘积趋于常数50~80uF,我使用62.5μΩ*F,由式
(1)可得RC=250mohm,C=250μF(出于实际考虑取250μF)
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:
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。
(注:
在实际电路中,取L=88μH)
(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:
占空比:
直流增益:
,
双重极点频率:
品质因数:
,
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:
(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:
=
=
假设PWM锯齿波幅值Vm=1.5V,RX=3
,Ry=1.3
,由此可得采样网络传递函数
=0.3,原始回路直流增益
=3。
双重极点频率:
=1.076kHz
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,den);
margin(mag,phase,w)
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)
(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
。
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)
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)
其波特图如下图所示
由Matlab绘制的波特图可知,
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
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=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,
六总电路图的设计
(1)总电路图的设计图6-1-1
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。
Multisim是InteractiveImageTechnologies(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。
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:
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电子工业出版社,2006:
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[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.
[5]徐德鸿译.《电力电子系统建模及控制》[M].北京:
机械工业出版社,2005:
174-180.
[6]张晋格主编.《控制系统CAD》[M].北京:
机械工业出版社,2004:
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