基于PI控制方式的10A开关电源Multisim仿真研.doc

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

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目录

1、绪论 3
2、实验目的 3
3、实验要求 3
4、主电路设计 3
4.1、buck电路 4
4.2、用Multisim软件参数扫描法验证数据 5
4.3、原始系统增益的计算 6
5、补偿网络的设计 7
5.1、补偿网络电路图 7
5.2、传递函数计算 8
5.3、绘制伯德图 9
6、总电路各种状况下运行检测 10
6.1、负载满载运行电路图及波形仿真 12
6.2、负载突加突卸80%时的电路图及波形仿真 13
6.3、电源突加突卸20%时的电路图及波形仿真 14
7、总结 15
附：参考文献 16

1、 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。

2、 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。

4、 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-4 2];
den=[3.75e-8 2.5e-5 1];
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-5 20];
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-4 2],[3.75e-8 2.5e-5 1])
num=[4.2e-4 20];
den=[2.1e-5 0];
Gc=tf(num,den)
G=series(Go,Gc)
margin(Go);hold on;
margin(Gc);hold on;
margin(G);hold on;
grid on;
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。

6、 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

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