DC/DC变换器数字PID控制方法研究

1 引言

随着DSP等数字信号处理器的出现，电力电子电路的数字控制得到了很大的发展。数字处理器能够瞬时读取变换器的输出值，并快速地计算出控制值对变换器进行控制。由于数字控制可以采用灵活的控制策略，一些先进的控制方法应用于电力电子电路成为可能。随着数字处理器价格不断下降和性能的不断提升，应用数字控制的开关型电力变换装置会日益增多。未来电力电子的发展方向可以用“高频化、数字化、绿色化、模块化”来概括。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于各种控制中，尤其适合可建立精确数学模型的确定性系统。但实际的电力电子系统是一个线性和非线性相结合的系统，难以建立精确的数学模型。在实际调试过程中，PID参数往往整定不良、性能欠佳，适应性比较差，长期以来，人们一直在寻求数字PID参数的整定方法。本文根据变换器系统的硬件条件将采样频率调至极限值，提高系统的控制性能，运用极点配置的方法整定PID的比例、积分、微分系数，并通过MATLAB仿真修订这些参数，得到良好的控制效果。

2 控制对象简介

本文控制的对象为移相全桥零电压开关变换器。主电路如图1所示。这种变换器结合了零电压准谐振技术和传统PWM变换器技术两者的优点，工作频率固定，在换向过程中利用LC谐振使器件零电压开关，在换向完毕后仍然采用PWM技术传送能量，开关损耗小、可靠性高，是一种适合于大中功率开关电源的软开关电路。

图1 移相控制的全桥变换器

控制器为Motorola公司DSP芯片56F8323，开关频率为150kHz，采用输出电压单环控制，电压环采样频率为25kHz。电压环中，采样输出电压和计算输出电压偏差以及偏差变化，完成电压环的PID计算，同时完成过压保护等功能。计算结果作为移相角大小的依据，实现对变换器的控制。

在这里，为了建立一个形式简单而且不依赖具体负载类型的DC/DC变换器的数学模型做如下一些假设：

①功率开关管是理想的器件；
②LC构成低通滤波器；
③高频变压器为理想变压器；
④考虑开关管的的导通压降、死区效应、线路电阻以及滤波电感的等效串联电阻这些阻尼因素，综合一个等效电阻为r。

3 两种数字PID控制方法比较

数字控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此积分项和微分项需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以求和代替积分，以增量代替微分，可以得到离散的位置式PID表达式：

位置式PID控制算法流程如图2所示。

图2 位置式PID控制算法流程图

图3 增量式PID控制算法流程图