PI控制方式的3A开关电源Multisim.docx
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PI控制方式的3A开关电源Multisim
I州兀孕備
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
基于PI控制方式的3A开关电源Multisim仿真研究
、绪论
学院:
电气与光电工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
二、BUCK总电路设计4
2.1技术指标4
2.2主电路参数计算5
2.3用Multisim软件参数扫描法计算7
三、补偿网络设计9
3.1原始系统的设计9
3.2补偿网络相关参数计算1•
四、负载突加突卸16
4.1满载运行16
4.2突加突卸80%负载18
五、心得体会20
参考文献20
、绪论
开关调节系统常见的控制对象,包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。
为了使某个控制对象的输出电压保持恒定,需要引入一个负反馈。
粗略的讲,只要使用一个高增益的反相放大器,就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。
但就一个实际系统而言,对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况,需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节,这样就使问题变得复杂了。
例如,已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢,如果控制的响应速度也缓慢,使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓;相反如果加快控制器的响应速度,则又会使系统出现振荡。
所以,开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求,这就需要一定的技巧,设计出合理的控制器,用控制器来改造控制对象的特性。
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。
二、BUCK总电路设计
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。
2.1技术指标
输入直流电压(VIN):
10V
输出电压(VO):
5V;
输出电流(IN):
3A;
输出电压纹波(Vrr):
50mV;
基准电压(Vref):
1.5V;
开关频率(fs):
100kHz2.2主电路参数计算
Buck变换器主电路如图(1-1)所示,其中Rc为电容的等效电阻
图(1-1)
(1)滤波电容参数计算
输出纹波电压只与电容C的大小有关及Rc有关:
将£=50mv,In=3A带入得RC=0.083,电解电容生产厂商很少给出ESR而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大,但是C与Rc的乘积趋于常数,约为50~80」1吓。
本例中取为75・*卄则:
C=903.6uF(此处取900uF)。
(2)滤波电感参数计算
当开关管导通与截止时变换器的基尔霍夫电压方程分别如式(2.2)、(2.3)所示:
Vin—Vo~Vl—Von
(2.3)
假设二极管的通态压降Vd
二0®,电感中的电阻压降Vl=0・1V,开关管的导通降
Von=0.5V
0
又因为
TOFFTON-
fs(2.4)
所以由式(2.2)、(2.3)、
(2.4)联立可得Ton5.6uS,并将此值回代式(2.2),可得
L=41uH
(3)负载电阻计算
(2.5)
2.3用Multisim软件参数扫描法计算
当L=31uH,L=41uH,L=51uH时,,输出电压的纹波如图(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)所示
器件参数扫描:
图(2-1)
V(4),11irbdua.anM:
s3Ji&-0,05
图(2-2)
器件参数扫描:
5.1400'
图(2-3)
器件参数扫描:
51186
5.0640
23B06m24926m26046m2.7165m20285m29404m
V(4hHinduct!
n«巧lfrOOB
图(2-4)
当L=31uH,L=41uH,L=51uH时,输出电流的纹波如图(2-5)、(2-6)所示
器件参数扫描;
图(2-5)
图(2-6)
三、补偿网络设计
3.1原始系统的设计
采用小信号模型分析方法得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为:
2+1.5x10^S
12.410*S3.6910”S2
根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图(3-1)所示,MATLAB的程序如下:
num=[0.0001502];
den=[0.00000003690.0000241];
g0=tf(num,den);
bode(g0);
margin(g0);
BodeDiagram
Gm=Inf,Pm=41.4deg(at1.54e+003Hz)
Frequency(Hz)
图(3-1)
如图所得,该系统相位裕度41.4度,穿越频率为1.54kHz,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,增加系统快速和稳定性。
3.2补偿网络相关参数计算
用如图(3-2)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。
采样电压为1.5V则取采样电阻R6、
R7分别为3.5K和1.5K。
PI补偿网络传递函数为:
其中
Gc(s)二K
TS1
TS
(3.3)
Ri
系统总的传递函数为:
(3.4)
2k(1+7.5汉10#slTs+1)G(S)一12.4103.6910"s2Ts
设穿越频率为c,则系统的对数幅频特性为:
5
=0arctan‘cTarctan7.510-c-90-arctan
2•二
—^-90
蛍2
1-(」)2
n
(3.5)
n
其中
1
3.6910"
振荡阻尼系数
2.410-5
3.6910-82n
本次取
为了增加系统的快速性,需要提高穿越频率fc,一般穿越频率以小于1/5fs较为恰当
4仁=15khz,则穿越频率叽=2矶=2汉3.14汉15000=9.42汇10rad/s。
2」
I5OCOnO
(c)=0arctancTarctan7.510c-90-arctan90
1-(坐)2
将数据代入n得
丄4COG4
(•c)二arctan9.42104T81.94-180-90-0.38
4O
二arctan9.42104T-188.44
相位裕度""180(c)=arctan9.42104T-8.44
一般相位裕度为:
50-_55
Q4OO
贝y50 o4o 58.44 1.6乞9.42104T乞2 55 1.710ZT空2.110 5取T=2.010,将k取不同的值在MATLAB上仿真得到k=20时较为理想。 -“、20(2.0X10,s+1) (3.6) Gc(s)= 则PI传递函数为: 2.010s 绘制PI传递函数伯德图图(3-3),程序如下: num=[40e-520]; den=[2e-5,0]; g=tf(num,den); margin(g) 823 G610S3.810S40 G侶)—"T33"Tn2Z5 则系统总的传递函数为: 7.410S4.810S210S(3.7)通过matlab绘制系统伯德图,程序如下: num=[0.0001502]; den=[0.00000003690.0000241]; g0=tf(num,den); bode(g0); margin(g0); holdonnum=[40e-520]; den=[2e-5,0]; g=tf(num,den); margin(g); holdon num=[0.000152]; den=[0.00000003690.0000241]; f=tf(num,den); num仁[40e-520]; de门仁[2e-50]; g=tf(num1,den1); num2=conv(num,num1); den2=conv(den,den1); margin(num2,den2) 总系统伯德图如下图(3-4): 100 BodeDiagram Gm=-18.7dB(at3.97e+003Hz),Pm=54.1deg(at1.49e+004Hz) \IDDOTea^hngaM 50 0 -100 90 |一― 补偿网络 原始回路 ■~— ""■一一一一 补偿后一 rrrirrrrrr iri! F'rirrrrr rrri! irrfrrrrrrrrrr -50 \l9ear\esanp -270 LLLL%L1.Lf 原始回路 LL L.I;IKVL| 1——— 1k1-—t—It—ft—ii->11K—■~K-LL 补偿网络 补偿后 —■rrr.rrrrrF ir£* rritrrrt rrrit*.rrrrrr-r-rrrr-r 0 -90 -180 3 5 4 2 10 10 10 Frequency(Hz) 10 6 10 (3-4) 由图可得系统的相位裕度为 54.1度,穿越频率为14.9khz, 系统的的快速性和稳定性都得到改 善。 四、负载突加突卸 4.1满载运行 T Q-・■.„_d-7-J.R1I.・-.—6/W- nn: 3.5kD R14 1.5kQ 图(4-1) 满载运行的电路图如图(4-1)所示,仿真结果如图(4-2)(4-3)所示 (4-2) Vf4).11induaariM*^lt-005 图(4-3) 4.2突加突卸80%负载 计算参数: 0.2IN=0.6A 出二也=82 0.6A0.6A 83」//Rn=1.7门 Rn=2.14" 电路图如图(4-4)所示: JRF250 41pH Dta■■■■•■ X1BH62 V U4-- -|M\|- fl■■.-.^>1 rbio---Ro. C2 -IF 4;7kn -AAA 20kQ XFG1 ■fcFL% Y Ft3™ A^V- 图(4-4) 仿真结果如图(4-5)(4-6)所示。 器件参数扫描: OWOT1.0000mZOOOOm 3.0000m 4.0000m 5.0000m (<)善>)田w ►0 VI(斗h11ir'ductance*^le-005 1(^},11inductsnrt^.le-OOS 图(4-5) 器件参数扫描; 4.6995- 4.5951 5.5257 (<)垢世>)出曲 2.4604m 2.4778m 2.4952m 2.51.26m 2.530flm 2.5474rn V(4).11le-005 11inductsnet (4-6) 五、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。 参考文献 [1]张卫平等•开关变换器的建模与控制[M].北京: 中国电力出版社,2006.01. [2]万山明,吴芳.开关电源(Buck电路)的小信号模型及环路设计J].电源技术应用,2004,7(3): 142-145. [3]杨旭等.开关电源技术[M].北京: 机械工业出版社,2004.03. [4]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京: 电子工业出版社,1999: 176〜184. [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. ⑹周志敏•周纪海•开关电源实用技术与应用[M].北京: 人民邮电出版社,2003: 15〜17. [7] 75. 张兰红.基于电流控制技术反激式变换器研究[J].南京: 南京航空航天大学,2001: 68 [8]张崇巍,张兴•PWM整流器及其控制[M].北京: 机械工业出版社,2003: 325〜328.
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