DC/DC變換器數(shù)字PID控制方法研究

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要控制量的增量，由式（1）可以導(dǎo)出增量式的PID控制算法，見(jiàn)式（2）。增量式PID控制算法流程如圖3所示。

位置式算法是全量輸出，每次的輸出都與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，數(shù)字處理器運(yùn)算量很大。而且，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，控制器的輸出幅值會(huì)很大，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度變化，這種情況應(yīng)該避免。而增量式算法就不存在這個(gè)問(wèn)題，它是增量輸出，不需要對(duì)過(guò)去的狀態(tài)進(jìn)行累加，誤動(dòng)作影響小。增量算法也有不足，有靜態(tài)誤差。因此，如果精度要求高、動(dòng)作比較快的場(chǎng)合用位置算法，如本文電力電子變換器的控制；如果執(zhí)行的時(shí)間比較長(zhǎng)，如電機(jī)調(diào)速控制等，則選擇增量式。本文中為了克服位置式算法的缺點(diǎn)，引進(jìn)抗積分飽和，設(shè)置限制范圍，避免控制器大幅值的變化。

4 DC/DC變換器數(shù)字PID參數(shù)整定

4.1采樣頻率的確定

采樣頻率在數(shù)字控制系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的參量，從信號(hào)保真和控制性能角度看變換器系統(tǒng)的采樣頻率越高越好。采樣頻率越高，對(duì)硬件要求越高，從而增加硬件的成本。所以選擇采樣周期應(yīng)該采取折中的方法選擇最佳的采樣周期。

圖4 判斷程序執(zhí)行結(jié)束示意圖

本文的數(shù)字控制器選用的是Freescale公司的MC56F8323芯片，主頻達(dá)到60MHz。為了在現(xiàn)有的硬件條件下確定變換器系統(tǒng)能達(dá)到的最大采樣頻率，在中斷程序開(kāi)始處利用一個(gè)通用輸入輸出端口加以電平翻轉(zhuǎn)指示信號(hào)，不斷的提高采樣頻率，根據(jù)翻轉(zhuǎn)信號(hào)判斷中斷程序能否執(zhí)行完，如果指示信號(hào)頻率小于采樣頻率的一半，如圖4最后一種情況所示，即說(shuō)明實(shí)時(shí)中斷無(wú)法在指定時(shí)間內(nèi)完成，即為現(xiàn)有條件下系統(tǒng)的最大允許采樣頻率。不同的算法程序，變換器系統(tǒng)能達(dá)到的最高采樣頻率也不一樣。

4.2極點(diǎn)配置選擇PID參數(shù)

數(shù)字控制系統(tǒng)，盡管是一個(gè)離散系統(tǒng)，如果采樣周期T取值足夠小，數(shù)字控制系統(tǒng)可以近似看作連續(xù)系統(tǒng)，對(duì)連續(xù)系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行離散化后，由數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)變換器的調(diào)節(jié)。

按照上面的假設(shè)，當(dāng)變換器的LC輸出濾波器的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)直流母線的輸入電壓Uin恒定不變的時(shí)候，移相全橋變換器除了輸出濾波器部分可以看成是一個(gè)增益恒定的放大器，這一部分的s域模型如圖5所示。

圖5 移相全橋主電路s域模型

圖5中Uab(s)為副邊整流后的電壓，Uc(s)代表控制器的輸出值。這里再設(shè)定幾個(gè)量，iL代表電感電流，io代表的是負(fù)載電流，為了分析的方便，io看成是負(fù)載的擾動(dòng)。

考慮移相全橋變換器整流后的輸出電壓和負(fù)載電流的擾動(dòng)，運(yùn)用狀態(tài)空間平均模型法推導(dǎo)輸出濾波器的輸出響應(yīng)，見(jiàn)式（3）。同時(shí)，可以畫(huà)出方框圖如圖6所示。

圖6 輸出濾波器的s域模型

綜合主電路、濾波器和PID控制器模型可以得到系統(tǒng)的框圖如圖7所示。

圖7 PID控制的DC/DC變換器系統(tǒng)框圖

根據(jù)圖7可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，見(jiàn)式（4）。