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Buck型变换器数字PID控制器设计方法研究

作者:时间:2011-03-02来源:网络收藏

摘要:Buck 型变换器包括Buck 变换器及其衍生的全桥变换器。文中以Buck 型变换器为控制对象,给出了频域补偿设计中模拟PID 的零极点配置原则,实现了其比例、积分、微分系数的整定。在此基础上,运用连续系统离散化方法,最终完成数字PID 的参数设计。MATLAB/SIMULINK仿真结果表明,通过上述方法设计实现的数字PID 能够满足系统的控制要求,输出响应具有良好的静态与动态特性。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/162359.htm

  0 引 言

  随着数字信号处理技术的日臻完善以及数字处理器价格的不断降低,数字控制在 变换器中得到广泛应用。与模拟控制相比,数字控制具有更加优越的控制性能、更加稳定的系统输出,以及易于实现电源系统的智能化管理等诸多优势。

  数字PID 控制因其算法简单、鲁棒性好及可靠性高,广泛应用于 变换器的数字控制领域。Buck 型变换器包括Buck 变换器及其衍生的全桥变换器。当前,数字PID 参数往往通过试凑法整定,耗时费力,同时控制性能欠佳、适应性较差。长期以来,人们一直在寻求更加有效的数字PID 参数整定方法。

  1 数字控制Buck 型变换器系统结构

  数字控制Buck 型变换器的系统框图如图1 所示。反馈控制回路中包含AD 采样器、误差生成器、PID 控制器以及PWM 波形产生器等模块,所有模块均以数字处理芯片作为载体,通过编程方式实现。

 数字控制Buck 型变换器系统框图

图1 数字控制Buck 型变换器系统框图

  2 数字PID 控制器设计

  数字系统是离散系统,但如果采样周期足够小,则数字系统可近似于连续系统。采用频域补偿设计方法实现模拟PID 控制器的参数整定,通过连续系统离散化处理,可最终实现数字PID 控制器的参数设计。

  2 .1 模拟PID 控制器的参数整定

  连续导电模式(CCM)下,Buck 型变换器控制对象的传递函数为:


  直流增益:
  ADC =nUi/Um,UM为PWM 产生器的锯齿波峰峰值;极点角频率:;;品质因数:Q=R√C/R。

  Buck 型变换器的典型频率特性曲线如图2 所示。

  由频率特性曲线可知:

  (1)幅频特性的低频段曲线平坦,欲消除闭环系统的稳态误差,补偿网络的设计应至少含有一个积分环节;(2)主极点wp由LC 输出滤波器产生,表现为一个双重极点,产生180°的滞后相移,系统相位裕量偏低。

连续导电模式(CCM)下Buck 型变换器频率特性曲线

图2 连续导电模式(CCM)下Buck 型变换器频率特性曲线

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关键词: 控制器 DC/DC

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