DC/DC變換器數(shù)字PID控制方法研究

1 引言

隨著DSP等數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，電力電子電路的數(shù)字控制得到了很大的發(fā)展。數(shù)字處理器能夠瞬時(shí)讀取變換器的輸出值，并快速地計(jì)算出控制值對(duì)變換器進(jìn)行控制。由于數(shù)字控制可以采用靈活的控制策略，一些先進(jìn)的控制方法應(yīng)用于電力電子電路成為可能。隨著數(shù)字處理器價(jià)格不斷下降和性能的不斷提升，應(yīng)用數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)型電力變換裝置會(huì)日益增多。未來(lái)電力電子的發(fā)展方向可以用“高頻化、數(shù)字化、綠色化、模塊化”來(lái)概括。

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好及可靠性高，被廣泛應(yīng)用于各種控制中，尤其適合可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。但實(shí)際的電力電子系統(tǒng)是一個(gè)線性和非線性相結(jié)合的系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，PID參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，適應(yīng)性比較差，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在尋求數(shù)字PID參數(shù)的整定方法。本文根據(jù)變換器系統(tǒng)的硬件條件將采樣頻率調(diào)至極限值，提高系統(tǒng)的控制性能，運(yùn)用極點(diǎn)配置的方法整定PID的比例、積分、微分系數(shù)，并通過(guò)MATLAB仿真修訂這些參數(shù)，得到良好的控制效果。

2 控制對(duì)象簡(jiǎn)介

本文控制的對(duì)象為移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器。主電路如圖1所示。這種變換器結(jié)合了零電壓準(zhǔn)諧振技術(shù)和傳統(tǒng)PWM變換器技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率固定，在換向過(guò)程中利用LC諧振使器件零電壓開(kāi)關(guān)，在換向完畢后仍然采用PWM技術(shù)傳送能量，開(kāi)關(guān)損耗小、可靠性高，是一種適合于大中功率開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)電路。

圖1 移相控制的全橋變換器

控制器為Motorola公司DSP芯片56F8323，開(kāi)關(guān)頻率為150kHz，采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)控制，電壓環(huán)采樣頻率為25kHz。電壓環(huán)中，采樣輸出電壓和計(jì)算輸出電壓偏差以及偏差變化，完成電壓環(huán)的PID計(jì)算，同時(shí)完成過(guò)壓保護(hù)等功能。計(jì)算結(jié)果作為移相角大小的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器的控制。

在這里，為了建立一個(gè)形式簡(jiǎn)單而且不依賴具體負(fù)載類型的DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型做如下一些假設(shè)：

①功率開(kāi)關(guān)管是理想的器件；
②LC構(gòu)成低通濾波器；
③高頻變壓器為理想變壓器；
④考慮開(kāi)關(guān)管的的導(dǎo)通壓降、死區(qū)效應(yīng)、線路電阻以及濾波電感的等效串聯(lián)電阻這些阻尼因素，綜合一個(gè)等效電阻為r。

3 兩種數(shù)字PID控制方法比較

數(shù)字控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此積分項(xiàng)和微分項(xiàng)需要進(jìn)行離散化處理。以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以求和代替積分，以增量代替微分，可以得到離散的位置式PID表達(dá)式：

位置式PID控制算法流程如圖2所示。

圖2 位置式PID控制算法流程圖

圖3 增量式PID控制算法流程圖