基于multisim控制方式的仿真研究

1、2013年 10 月目錄一 緒論2二 實驗?zāi)康?三 實驗要求2四 主電路功率的設(shè)計2（1）buck 電路2（2）用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算3(3) 交流小信號模型中電路參數(shù)的計算4（4）采用小信號模型分析5五 補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計6六 總電路圖的設(shè)計7（1）總電路圖的設(shè)計圖9（2）總電路的仿真圖9七 心得體會11八 參考文獻(xiàn)12一 緒論Buck變換器最常用的變換器，工程上常用的拓?fù)淙缯ぁ霕?、全橋、推挽等也屬于Buck族，現(xiàn)以Buck變換器為例，依據(jù)不同負(fù)載電流的要求，設(shè)計主功率電路，并采用單電壓環(huán)、電流-電壓雙環(huán)設(shè)計控制環(huán)路二 實驗?zāi)康?1)了解Buck變換器基本結(jié)構(gòu)及工作原理；(2)

2、 掌握電路器件選擇和參數(shù)的計算；(3) 學(xué)會使用Multisim仿真軟件對所設(shè)計的開環(huán)降壓電路進(jìn)行仿真;(4) 學(xué)會使用Multisim仿真軟件對控制環(huán)節(jié)的仿真技術(shù);(5)學(xué)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(VIN)：15V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：1A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。四 主電路功率的設(shè)計（1）buck 電路圖4-1-1： buck 電路 圖4-1-1 =250m（出于實際考慮選擇250m）c*Rc的乘積趨于常數(shù)5080uF，我使用62.5*F，由式(1)可得R

3、C=250mohm，C=250F（出于實際考慮取250F）開關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程分別如下式所示：設(shè)二極管的通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V。經(jīng)計算得 L=87.66uH。（注：在實際電路中，取L=88H）（2）用Multisim軟件參數(shù)掃描法計算：當(dāng)L=70uH時，輸出電壓紋波4-2-1 當(dāng)L=80uH時，輸出電壓紋波如圖4-2-2 如圖4-2-2當(dāng)L=87.66uH時，輸出電壓和電流和輸出電壓紋波如圖4-2-1 圖4-2-1當(dāng)L=90uH時，輸出電壓和電流和輸出電壓紋波如圖4-2-3圖4-2-3 (3)交流小信號模型中電路

4、參數(shù)的計算如下：占空比： 直流增益： ，雙重極點頻率： 品質(zhì)因數(shù)： ，在具有雙重極點的傳遞函數(shù)中，頻率特性在極點頻率附近變化非常劇烈，其中相頻特性變化非常劇烈段的起始頻率fa和終止頻率fb，由下可以確定： （4）采用小信號模型分析經(jīng)分析得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： 假設(shè)PWM鋸齒波幅值Vm1.5V，RX3，Ry1.3，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。雙重極點頻率:=1.076kHz用matlab畫出的G0（s）的伯德圖：程序：num=0.000225 3;den=0.000000053 0.000034994 1;mag1,phase1,w1=bode(

5、num,den);margin(mag,phase,w)如圖所得，該系統(tǒng)相位裕度 40.3度，穿越頻率為1.49e+003Hz,所以該傳遞函數(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。五 補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計設(shè)計步驟步驟1 本設(shè)計采用的PD補償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，PD補償網(wǎng)絡(luò)的電路圖如圖5所示PD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fc是開關(guān)頻率fs的五分之一,即fc=fs/5=20 KHz設(shè)相位裕度。PD補償網(wǎng)絡(luò)的零、極點頻率計算公式為： （7）由式（6）可得

6、： (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）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） 其波特圖如下圖所示由Matlab繪制的波特圖可知，,滿足設(shè)計要求。圖1 PD補償網(wǎng)絡(luò)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖圖2 系統(tǒng)總回路傳遞函數(shù)波特圖 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=0.76K，R3=2K，C1=1.37nF（注:在實際電路中，取：R0=0.8K，R3=2K，C1=1.5nF）由于，有20%100%的負(fù)載擾動，六 總

7、電路圖的設(shè)計（1）總電路圖的設(shè)計圖6-1-1圖6-1-1（2）總電路的仿真圖圖6-1-2（3）輸出電壓紋波由圖可見，加入補償網(wǎng)絡(luò)后，輸出電壓穩(wěn)定在5V左右。總電路圖設(shè)計采用Multisim軟件。Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。七 心得體會本文以Buck變換器為研究對象，學(xué)習(xí)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)

8、和高頻干擾抑制能力。通過理論的研究和公式推導(dǎo)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(jìn)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(rèn)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。八 參考文獻(xiàn)1 張建生主編.現(xiàn)代儀器電源M .北京：科學(xué)出版社2005：1-26.2 王兆安，黃俊主編.電力電子技術(shù)M .北京：機械工業(yè)出版社，2000：94-96.3 陳麗蘭主編.自動控制原理M .北京：電子工業(yè)出版社，2006：73-74.4 張衛(wèi)平主編.