基于PD控制方式的2A開關(guān)電源的Multisim仿真

1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY基于PD控制方式的2A開關(guān)電源的Multisim仿真學院：電氣與光電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：班級：學號：17目錄一 緒論3二 實驗?zāi)康?三 實驗要求3四 主電路功率的設(shè)計3 4.1buck 電路圖3 4.2用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算4五 補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計6 5.1原始系統(tǒng)的設(shè)計6 5.2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計：控制方式為PD7六 負載突加突卸11 6.1滿載運行11 6.2突加突卸80%負載14七 心得體會15附：參考文獻16一 緒論隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展對電源的要求也不斷的提高，開環(huán)的電源應(yīng)該說早就不能滿足要求，無

2、論是在輸出參數(shù)的精度還是抗干擾能力方面都比不上閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了使某個控制對象的輸出電壓保持恒定，需要引入一個負反饋。粗略的講，只要使用一個高增益的反相放大器，就可以達到使控制對象輸出電壓穩(wěn)定的目的。但就一個實際系統(tǒng)而言，對于負載的突變、輸入電壓的突升或突降、高頻干擾等不同情況，需要系統(tǒng)能夠穩(wěn)、準、快地做出合適的調(diào)節(jié)，這樣就使問題變得復(fù)雜了。要同時解決穩(wěn)、準、快、抑制干擾等方面互相矛盾的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，這就需要一定的技巧，設(shè)計出合理的控制器，用控制器來改造控制對象的特性。常用的控制器有比例積分（PI）、比例微分（PD）、比例-積分-微分（PID）等三種類型。本文將通過Multisim用實例來研

3、究PD控制器的調(diào)節(jié)作用。二 實驗?zāi)康?(1)了解Buck變換器基本結(jié)構(gòu)及工作原理；(2) 掌握電路器件選擇和參數(shù)的計算；(3) 學會使用Multisim仿真軟件對所設(shè)計的開環(huán)降壓電路進行仿真；(4) 學會使用Multisim仿真軟件對控制環(huán)節(jié)的仿真技術(shù)；(5)學會分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)壓精度和動態(tài)響應(yīng)速度. 三 實驗要求輸入直流電壓()：10V； 輸出電壓()：5V； 輸出電流()：2A； 輸出電壓紋波()：50mV； 基準電壓()：1.5V； 開關(guān)頻率()：100kHz；四 主電路功率的設(shè)計4.1buck 電路圖buck 電路4-1-1：buck 電路 圖4-1-1的乘積趨于常數(shù)5080F，我使用

4、62.5*F，由式(1)可得=125m，C=500F開關(guān)管閉合與導通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程分別如下式所示： D設(shè)二極管的通態(tài)壓降=0.5V，電感中的電阻壓降=0.1V，開關(guān)管導通壓降=0.5V。 經(jīng)計算得 L=61.6H。負載電阻計算4.2用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算當L=51.6uH，L=61.6uH, L=71.6uH時，輸出電壓的紋波如圖4-2-1和4-2-2所示。圖4-2-1圖4-2-2當L=51.6uH，L=61.6H, L=71.6uH時，輸出電流的紋波如圖4-2-3和4-2-4所示。圖4-2-3圖4-2-4五 補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計5.1原始系統(tǒng)的設(shè)計 采用小信號模型分析方法得Bu

5、ck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： 假設(shè)PWM鋸齒波幅值1.5V，3k，1.3k，由此可得采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù) )(=0.3，原始回路直流增益)(3。) 采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：品質(zhì)因數(shù) 雙重極點頻率： =907.33Hz根據(jù)原始系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以得到的波特圖如圖5-1-1所示，MATLAB的程序如下：num1=0.000125 2;den1=0.0000000308 0.00002464 1;figure(1);mag,phase,w=bode(num1,den1);margin(mag,phase,w)圖5-1-1如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 39.5度，穿越頻率為1.67e+003Hz,所以

6、該傳遞函數(shù)穩(wěn)定性和快速性均不好。需要加入補償網(wǎng)絡(luò)使其增大穿越頻率和相位裕度。 使其快速性和穩(wěn)定性增加5.2補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計：控制方式為PD補償電路如圖5-2-1圖5-2-1PD補償網(wǎng)絡(luò)其傳遞函數(shù)為： ， （5） , ,（6）步驟2 確定補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。為了提高穿越頻率，設(shè)加入補償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率穿越頻率必須小于開關(guān)頻率的一半，系統(tǒng)才會穩(wěn)定，一般情況下可以取穿越頻率小于開關(guān)頻率的1/5。設(shè)相位裕度取15kHZ。PD補償網(wǎng)絡(luò)的零、極點頻率計算公式為： （7）由式（6）可得： (8)PD補償網(wǎng)絡(luò)直流增益為：（9）由式（7）、（8），可得PD補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)GC(s)為：（10）繪制PI傳

7、遞函數(shù)伯德圖，程序如下：num=1.3e-3 55.74;den=2.74e-6,1;g=tf(num,den);margin(g)根據(jù)上面計算，可繪出PD補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)GC(s)的波特圖如圖6所示，整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （11）通過matlab繪制系統(tǒng)伯德圖，程序如下：num=2;den=0.0000000308 0.00002464 1;g0=tf(num,den);bode(g0);margin(g0);hold onnum=1.3e-3 55.74; den=2.74e-6,1;g=tf(num,den);margin(g);hold onnum=2;den=0.000000030

8、8 0.00002464 1;f=tf(num,den);num1=1.3e-3 55.74; den1=2.74e-6,1;g=tf(num1,den1);num2=conv(num,num1);den2=conv(den,den1);margin(num2,den2)總系統(tǒng)伯德圖如下圖：由圖可得系統(tǒng)的相位裕度為51.3度，穿越頻率為14.5khz，系統(tǒng)的的快速性和穩(wěn)定性都得到改善。步驟3 補償網(wǎng)絡(luò)電路中的參數(shù)計算由式（6）的三個計算公式可得：設(shè)R1=R2=30K，由上式可得：R0=1.08K，R3=1.996K，C1=1.375nF（注:在實際電路中，?。篟0=5.55K，R3=2K，C1

9、=2nF）由于，有20%100%的負載擾動)六 負載突加突卸6.1滿載運行電路圖如圖6-1-1所示圖6-1-1輸出電壓紋波電路圖如圖6-1-2和6-1-3所示加入補償網(wǎng)絡(luò)后，輸出電壓穩(wěn)定在5V左右?？傠娐穲D設(shè)計采用Multisim軟件。圖6-1-2圖6-1-3輸出電流紋波如圖6-1-4和6-1-5所示輸出電流穩(wěn)定在2A左右。圖6-1-4圖6-1-56.2突加突卸80%負載電路圖如圖6-2-1所示 圖6-2-1突加突卸如圖6-2-2和6-2-3所示 圖6-2-2圖6-2-3七 心得體會本文以Buck變換器為研究對象，學習了PD補償網(wǎng)絡(luò)在恒壓原單環(huán)控制中的應(yīng)用特點，關(guān)注了穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)和高頻干擾抑制能力。通過理論的研究和公式推導設(shè)計出了PD控制小信號模型和傳遞函數(shù)，并且設(shè)計出了具體的電路的參數(shù)，以及對設(shè)計的電路進行了仿真。通過這次設(shè)計主要取得了如下成果：掌握了一定的電力電子建模知識、開關(guān)變換器的建模知識；對PD控制在Buck變換器的應(yīng)用上有了較好的認識；熟練運用Multisim，Matlab等仿真軟件；對開關(guān)電源的用途、現(xiàn)狀與發(fā)展有了新的體會。參考文獻1 張建生主編.現(xiàn)代儀器電源M .北京：科學出版社2005：1-26.2 張占松，張心益主編.開關(guān)電源技術(shù)教程M .北京：機械工業(yè)出版社，2012：4-11.3 陳麗蘭主編.自動控制原理M