（电力电子与电力传动专业论文）数字控制dcdc变换器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nc o n v e n t i o n a lp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y c o n t r o l l e r sf o rd c d cc o n v e r t e r s a d o p ta n a l o g yc i r c u i t st oi m p l e m e n tv o l t a g ec o n t r o lo rc u r r e n tc o n t r 0 1 i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ei m p r o v e m e n ti nd i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ep r i c eo f m i c r o p r o c e s s o ra n dd s pb e c o m i n gc h e a p e r d i g i u ac o n t r o li sw i d e l ya p p l i e di np o w e r c o n v e r t e r s c o m p a r e dw i t ha n a l o g yc o n t r o l l e r s d i g i t a lc o n t r o l l e r sh a v em a n y a d v a n t a g e s t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc a nr e a l i z es o m ec o m p l i c a t e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n d h a sh i 曲e rr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y a n dt h ed e s i g no ft h ed i g i c o n t r o l l e ri sf l e x i b l e t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc 趾r e a l i z et h ei n t e l l i g e n tp o w e ra n dr e d u c et h ed e s i g nc y c l eo f n e w p r o d u c t s t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e si n c l u d ed i g i t a lp i dc o n t r o l a d a p t i v ec o n t r o l f u z z yc o n t r o l n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lp o l ep l a c ec o n t r o l d e a d b e a tc o n t r o la n d p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 e v e r yc o n t r o ls t r a t e g yh a si t sa d v a n t a g e s b u th a si t sl o c a l i z a t i o n a f t e ri n v e s t i g a t e da n d a n a l y z e dt h ec o n t r o lm o d e lo ft h ed c d cc o n v e r t e r t h ep a p e r p r o p o s e dan e w 呦p i dp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o d t h ec o n t r o lm e t h o di sv a l i d a t e d w i t ht h es i m u l a t i o no ft h eb u c ka n dt h ep h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o lm e t h o dh a sg o o dd y n a m i c sr e s p o n s e i no r d e rt ol e a l i l 2t h es t r a t e g y t h ep a p e rd e s i g n e dt h eb u c kc o n v e q t e rb a s e do n t h et m s 3 2 0 f 2 4 0d s et h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l tp r o v e dt h a tt h ec o n t r o ls c h e m eh a s g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n ds i m p l ec o n t r o la r i t h m e t i c t h es t r a t e g yi sas i m p l ea n d a p p l i e dd i g i t a lc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s d c d cc o n v e r t e r s d i g i t a lc o n t r o l f u yp i dc o n t r o l p r e d i c t i v e c o n t r o l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得鑫鲞叁茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 硌磊留签字日期 占年上月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤壅叁茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 柳仓 签字日期 加占年 月弘日三三喜三 二 耄月如日签字日期 歹矿 年 月脚日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 按照功率变换的类型 电力电子学的研究对象可分为a c d c 整流 a c a c 变频 d c a c 逆变 d c d c 斩波 四类 d c d c 变换器属于电力电子 学的研究范畴 它涉及电力学 电子学和控制理论等学科 d c d c 变换器又称为斩波器 其功能是将直流电变为另一固定电压或可调 电压的直流电 2 在各种类型的d c d c 开关变换器中 p w m 型变换器结构种类 多 发展快 技术领先 便于实现 构成最大的一类 d c d c 变换器有非电气 隔离型和有隔离型两类 2 柳 以所用功率开关管的数量来分类 单管非隔离直流变 换器有六种基本类型 即降压式 b u c k 升压式 b o o s t 升降压式 b u c k b o o s t 库克 c u k 瑞泰 z e t a 和赛皮克 s e p i c 等 双管直流变换器有双管串接 的升降压式 b u c k b o o s t 等 隔离型直流变换器也可以所用功率开关管数量来 分类 典型单管直流变换器有正激变换器 f o r w a r d 和反激变换器 f l y b a c k 两种 双管变换器有双管正激变换器 d o u b l et r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r 双管 反激变换器 d o u b l et r a n s i s t o rf l y b a c kc o n v e r t e r 推挽 p u s h p u l lc o n v e r t e r 和 半桥 h a l f b r i d g ec o n v e r t e r 四种 四管直流变换器就是d c d c 全桥变换器 f u l l b r i d g ec o n v e r t e r 常见的p w i v i 型d c d c 变换器电路有b u c k b o o s t b u c k b o o s t c u k 等电 路 3 4 1 它们构成了p w m 型d c d c 变换器的基本拓扑 这四种类型的d c d c 变换器是最基本的变换器 以这四种变换器为基础可以引申出各种类型的 d c d c 变换器 其中移相全桥z v s 变换器由于其充分利用了电路本身的寄生参 数 使开关管工作在软开关状态 降低了开关管的开关嗓声和开关损耗 提高了 变换器的效率 近年来在中大功率场合得到广泛应用 1 2 课题的研究背景和意义 在传统功率电子技术中 d c d c 变换器控制部分是按模拟信号进行设计和 工作的 在六 七十年代 功率电子技术完全建立在模拟电路的基础上 但是 近年来 随着数字信号处理技术的日益完善 成熟 微处理器 微控制器和数字 第一章绪论 信号处理器性价比的不断提高 数字控制在功率变换器中得到广泛应用 例如电 机 不间断电源 u p s 的控制电路都选用各种数字信号处理器或微处理器作为 其核心控制部件 功率变换器已由模拟控制 模数混合控制 进入全数字化控制 阶段 相对于模拟控制 数字控制有许多优点 1 数字控制可以实现各种复杂的控制策略 提高控制系统的性能 由于 开关器件的存在 功率变换器是强非线性系统 传统的模拟控制是在功率变换器 近似线性模型的基础上 利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络 这种方 法设计简单且容易实现 但随着对电源性能指标的要求不断提高 这种设计方法 很难提高系统的控制性能 而数字控制可以实现各种非线性控制策略 使得控制 系统的性能大大提高 2 数字控制系统具有很强的抗干扰能力 模拟元器件易受环境和温度的 变化影响 所以模拟控制器稳定性差 数字控制器较少受到器件老化 环境或参 数变化的影响 比模拟控制器更稳定可靠 具有很强的抗干扰能力 3 数字控制系统灵活性高 数字化极大地简化了变换器控制的硬件 采 用数字控制技术可以设计统一的硬件平台 适用不同的变换器系统 只通过软件 的改变就可以改变控制策略 无须硬件更改 同时 数字控制系统更容易实现过 压 过流保护 输出电压调节 故障监测及通讯等功能 使电源 智能化 总之 对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能 灵活 性等 变换器的性能主要由软件来决定 而不是在于大量离散元器件的参数 这 就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力 数字控制的这些优点大大 提高了功率变换器的综合性能 由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变 换器的一大发展趋势 1 3 论文研究内容与结构 1 3 1 论文的研究内容 本论文在总结前人研究成果的基础上 提出模糊p i d 预测控制策略 并以 b u c k 变换器和全桥交换器为控制对象 通过仿真验证了这种策略的可行性 说 明这种控制策略极大提高了d c i c 变换器系统的动态性能 为了验证本文所提出的控制算法的有效性 选用b u c k 变换器为实验电路 采用1 1 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心器件实现了d c d c 变换器的 数字控制 除控制算法以外 也从软件其它方面着手改善系统的性能 最后对实 验结果进行了分析 以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制核心构成的d c d c 变换器控制系统 第一章绪论 具有结构简单 可靠性高等优点 1 3 2 论文的结构 论文第一章为绪论部分 主要介绍了本课题的研究背景及意义 第二章为 p 聊型d c i d c 变换器数字控制方法的综述 同时就数字控制中的一些关键问题进 行了讨论 第三章主要论述了模糊p i d 控制在d c d c 变换器中的应用 及本文所 提出模糊p i d 预测控制策略 并进行了仿真验证 第四章是控制系统软硬件设计 并给出了实验结果 第五章为结束语 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 2 1p w m 型d c d c 变换器的数字控制方法 p w m 型d c d c 变换器是一个强非线性离散系统 系统具有如下特点1 3 1 开关器件在一个周期中既工作在饱和区又工作在截止区 系统在开关 打开和闭合时具有不同的电路结构 即系统是按时间分段线性的 时变的 2 由于外部的瞬态的或持续的扰动 如输入电压或输出功率扰动 会引 起变换器工作状态参数的非线性变化 3 脉宽调制器具有饱和非线性 系统在工作时开关导通比有上限和下限 一旦达到上限或下限 占空比就保持不变 4 系统是离散系统 在每一个开关周期内 开关占空比只改变一次 因 此控制是不连续的 以上特点决定t d c d c 变换器的动静态特性解析分析比较复杂 传统的模拟 控制是在i l d m i d d l e b r o o k 和s c u k 提出的状态空间平均法的基础上得到变换 器在额定工作点附近的近似线性小信号模型 然后利用频域法设计控制器 但很 难提高系统的控制性能 且难以保证系统的大信号稳定性 近年来 随着微处理 器 微控制器和数字信号处理器性价比的不断提高 数字控制d c d c 变换器研究 越来越多 提出了一些新的数字控制算法 如模糊控制 神经网络控制 极点配 置控制等 这些非线性控制策略极大提高了控制系统的动静态性能 系统鲁棒性 也大大提高 2 1 1 数字p i d 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一 由于其算法简单 鲁棒性好和 可靠性高 应用极为广泛 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统 模拟p i d 控制系统原理框图如图2 1 所示 图2 1 模拟p i d 控制系统原理 第二章d c i x 2 变换器的数字控制方法 p i d 控制器是一种线性控制器 它根据给定值r o 与实际输出值y o 构成控 制偏差 e o r t y t 2 1 将偏差的比例 p 积分 i 和微分 d 通过线性组合构成控制量 对 被控对象进行控制 其控制规律为 2 缉卜 毒 虮r d 西e o j 2 之 或写成传递函数的形式 g 器 k 0 去毋 2 3 式中 j 一比例系数5 z 积分时间常数 微分时间常数 各环节的作用如下 1 比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号p 御 偏差一旦产 生 控制器立即产生控制作用 以减少偏差 提高控制精度 2 积分环节 主要用于消除静差 提高系统的无差度 从而使系统的稳 定性提高 积分作用的强弱取决于积分时间常数正 越大 积分作用越弱 反之则越强 3 微分环节 能反映偏差信号的变化趋势 并能在偏差信号值变得太大 之前 在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的动作速度 减 小调节时间 数字p i d 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 连续p i d 控制算法不能直接使用 需要采用离散化方法 数字p i d 控制 算法又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法 4 还有一些改进算法 如积分分离法 遇限削弱积分法 不完全微分法 微分先行法和带死区的p i d 控制算法等嗍 1 位置式p i d 控制算法 按模拟p i d 控制算法 以一系列的采样时刻点七r 代表连续时间t 以矩形 法数值积分近似代替积分 以一阶后向差分近似代替微分 即可得离散p i d 表 达式 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 甜 七 耳 触 手圭p u 夸 砧卜m 一1 一m 二z 阳下 础h 2 削 巧e i 局圭e o r 型盐掣 一 式中 局 等 髟易 2 1 为采样周期 七为采样序号 l 2 p 僻1 和p 分别为第 缸1 时刻和第k 时刻所得到的偏差信号 位置式p i d 控制系统 图2 2 位置式p i d 控制系统原理图 根据位置式p i d 控制算法得到其程序框图如图2 3 所示 在仿真过程中 可根据实际情况 对控制器的输出进行限幅 l 参数初始化 i l 采样州吸娴 j i计算偏差值 i 计算控制器输出 i 参数更新 图2 3 位置式p i d 控制算法程序框图 该算法的缺点是 由于采用全量输出 所以每次输出均与过去的状态有关 计算时要对p 量进行累加 计算机输出控制量 对应的是执行机构的实际 第二章d c i x 变换器的数字控制方法 位置偏差 如果位置传感器出现故障 幻可能会出现大幅度变化 从而引起执 行机构位置的大幅度变化 这在生产中是不允许的 为避免这种情况的发生 常采用下述的增量式p i d 控制算法 2 增量式p i d 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量 例如驱动步进电机 时 应采用增量 式p i d 控制 根据递推原理可得增量式p i d 控制算法 a u k k p e 七 一e k 一1 k e k k j d e k 一2 e k 一1 e k 一2 2 5 由于算法中不需要累加 控制增量a u k 1 仅与最近k 次的采样有关 所以误 动作时影响小 而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果 在p i d 控制中 一个关键的问题是p i d 参数的整定 传统方法是在获取对 象数学模型的基础上 根据某一原则来确定p i d 参数 实际的控制过程中 在 被控系统具有明显的非线性或负载发生变化时 固定参数的p i d 就不能适应系 统的动态变化 从而影响系统控制质量 计算机技术和智能控制理论的发展为复杂不确定系统的控制提供了新的途 径 采用智能控制技术 可设计智能p i d 和进行p i d 参数的智能整定 对传统 p i d 进行改造 形成了自适应p i d 模糊p i d 神经网络p i d 灰色p i d 遗传 算法p i d 等 4 新型p i d 控制方法 2 1 2 自适应控制 传统的非自适应反馈控制参数的选择依赖于变换器的模型参数 但d c d c 交换器系统参数往往是不精确的 变化的 3 如果控制器参数和实际参数不匹 配 可能导致系统性能下降 甚至引起系统不稳定 另一方面 变换器系统建 模过程中做了许多假设 用近似线性小信号模型来代替离散非线性系统 也就 是说 模型和系统之间一定存在误差 自适应控制策略可以有效地克服以上两 点 是解决变参数系统控制的一种很好的方法 图2 4 自适应控制结构图 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 文献 5 将自适应方法引入d c d c 变换器的控制 整个自适应控制系统的 结构如图2 4 所示 在文献 5 中 在状态空间平均模型的基础上 绘出了占空 比合成器和参数更新率的表达式 该参数更新率实时更新模型参数 在线调节 占空比合成器参数 该系统对电路参数 输入电压及负载变化的抗干扰能力很 强 由于d c d c 变换器的开关频率很高 实时性是实现这一控制方案的主要难 点 对处理器的性能要求很高 2 1 3 模糊控制 模糊控制理论是由美国学者l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出的网 模糊控制 是应用模糊集合理论的控制方法 提出一种基于规则的控制规律的机型7 其 基本思想是基于专家经验和领域知识 总结出若干条以 条件 t h e n 作 用 形式表示的模糊控制规则 构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系 模糊控制不需要建立变换器的数学模型 而直接以语言的形式表达设计人员的 直觉和经验 通过模糊化 模糊规则推理 去模糊化三个过程得到控制输出量 特别适用于d c d c 变换器这种对象参数具有不确定性的问题 整个控制系统结 构如图2 5 所示 厂一一一一面函f 一一一一 图2 5 模糊控制结构原理图 模糊控制器的输入为d c d c 变换器的输出电压误差e 和误差变化率e c 输出为占空比d 为了提高模糊控制器的控制性能 文献 8 中的模糊控制器增 加了一个输入 将输出电流也作为模糊控制器输入 建立相应的规则库 计算 占空比 相对于只利用输出电压量的模糊控制器来说 动态性能更令人满意 模糊控制策略的优点在于不需要建立准确的变换器数学模型 而依赖于设 计者的经验 非常适合于d c d c 变换器这样的强非线性系统 模糊控制从本质 上说是自适应的 可以保证控制系统的大信号稳定性 但模糊控制也有其不足 如缺乏分析和设计控制系统的方法 规则库的完整性难以保证等 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 2 1 4 神经网络控制 神经网络控制方法是基于人脑控制行为的生理学研究而发展起来的 是一 种具有广阔应用前景的智能控制方法 由于神经网络具有非线性映像能力 自 学习适应能力 联想记忆能力 并行信息处理方式及其优良的容错性能 所以 它在非线性和复杂控制系统中 起着巨大的作用 神经网络应用于非线性系统 已经有很多年了 但是 主要用于机器人技术和自动控制系统 在电力电子领 域 神经网络的应用还处于初级阶段 最近 不断有文章报道用神经网络来控 制d c d c 变换器 这预示着神经网络在d c d c 变换器中的应用将会不断增多 文献 9 把神经网络应用于b o o s t 变换器中 如图2 6 所示 参考值 出 图2 6b o o s t 变换器的神经网络控制原理图 其中 用神经网络控制器产生变换器的控制信号 进行反馈控制 用神经 网络仿真器识别变换器参数的变化 且神经网络控制系统自动学习变换器工作 时的动态特性 计算机仿真结果表明 即使在高频脉冲电源电压和高频脉冲参 考信号的条件下 神经网络控制系统都能提供良好的动态响应 文献 1 0 把神经网络控制器用于b u c k 变换器中 首先 把b u c k 变换器在 一个工作点线性化 进行p i 控制 由此得到神经网络离线训练的资料集合 这 种训练时间长 并且依赖于资料集合的大小和特性 但是 依然能得到良好的 控制结果 而在线训练的神经网络控制器设计的时间少 在变化的负载条件下 能够提供最精确和统一的结果 文献 1 1 提出用神经网络辨识和控制一个反激准谐振变换器 神经网络控 制器用来调节输出电压 它由3 层组成 输入层有8 个神经元 隐层有2 4 个神 经元 输出层有一个神经元 4 个输入分别为输入电压变化量 电感电流变化 量 负载电流变化量 输出电压相对于参考值的变化量 控制器的输出能够调 节输出电压的开关频率 控制方法采用监督学习的神经网络控制 用b p 算法 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 并由l e v e n b e r g m a r q u e d e t 规则改进 仿真结果表明系统的精度和鲁棒性都得到 了改善 这种神经网络控制器的优点可总结如下 1 降低了输出电压的偏差 提高了控制系统的精度 2 对于输入电压和负载的变化 具有快速的响应 3 由于神经网络控制器的输出是开关频率 这可以直接而且很容易完成 文中的控制算法 2 1 5 极点配置法 极点配置法根据系统的离散状态空间模型直接设计控制系统 整个控制系 统的结构如图2 7 所示 由图可知闭环系统的离散状态方程为 x k 1 a x j b 七 d i x 2 6 y 后 c z 功 系统的特征方程为 i z i a 4 b l l 0 在设计控制系统时 只要选择合适的反馈矩阵z 就可以得到要求的系统控 制特性 极点配置法的优点在于设计简单 实现容易 具有很好的动态特性 但这种方法对系统参数非常敏感 当系统参数变化时 整个闭环系统的极点将 发生变化 无法保证闭环控制系统的稳定性 图2 7 极点配置控制结构原理图图2 8 无差拍控制结构原理图 2 1 6 无差拍控制 无差拍控制也叫做有限终止时间控制 由于在数字控制系统中存在数据采 样 算法计算等环节 必然使得整个控制系统中存在时延 无差拍控制的思想就 是提前算出控制变量 使系统能够在一定的采样周期内达到控制目标 消除输出 误差 即在灯时刻求出 肛1 t 时刻的占空比故动 使得 斛2 t 时刻的误差 斛2 为零 这样就得到了无差拍控制的表达式为 m 号手 卜酱哪 1 等 m 1 等撒 2 2 7 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 式中 l 2 d l d 2 为常数 d d 表示第k 周期算出的占空比 七 为第k 周期的输出误差 无差拍控制有两点不足 一是控制算法对变换器模型参数很敏感 系统的模 型参数误差或参数变化对控制特性的影响很大 一是控制算法的运算量比较大 文献 1 2 提出了一种新的无差拍控制方法 整个控制系统如图2 8 示 这种方法 首先由系统第k 周期和 k 1 周期的电流 幼 七 1 得到 抖1 周期的电 流预测值i l 七十1 然后预计系统在 舛1 周期的输出误差e k 1 进而得到 消除此误差的第 i 周期的占空比d 后 如式 2 8 所示 i l 七 1 2 i l d 一 七一1 s k n i i t k 1 d k 1 2 8 d d d k 一1 土 一占 i 1 v ll 这种方法不但较好克服了上述两种缺点 而且因为在控制中采用电流控制策 略 使得系统的动态响应也有了明显的提高 因此具有很好的应用前景 2 1 7 预测控制 在数字控制d c d c 变换器系统中 存在着信号采样保持 算法计算等环节 因此 不可避免地存在一定的延时 为了解决时延问题 提高系统的动态特性 文献 1 3 提出了一种预测控制策略 这种策略的结构如图2 9 示 图2 9 预测控制结构图 预测控制的基本思想是在原来的控制策略基础上加一个预测环节 a z 2 z 1 2 9 z 由系统第k 时刻的输出预测 抖1 时刻的输出 代入控制算法 从而在第 k 个周期就计算出第 针1 个周期的控制量 提高整个系统的动态性能 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 2 2d c 他c 变换器数字控制的关键问题 2 2 1 数字式p w m 的频率与分辨率 1 数字式p w m 频率 采用数字处理器 如单片机 d s p 等 实现d c d c 变换器的数字控制中 数字p w m 的定时器采用数字计数器 做如下假设 数字计数器的位数为 计 数器计数脉冲频率为五 产生p w m 时计数器的最大计数值为n 则计数周期为 n l 那么p w m 的周期r 就是计数器从0 计数到刀所需的时间 可由下式得到 t 栉 1 f o 1 疗 2 栉 n 是自然数 厂 1 t f o i n d l 胛 7 位 其输出才至少有一个状态符合在允许误差 范围内的期望输出值 在本文中采用的是数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 它的a d 为l o 位 这个精度一般能达到变换器的控制要求 主要考虑数字p w m 的量化误 差 如果数字p w m 分辨率低于a d 转换器精度 那么a d 转换器将不能找到具有 零误差 的输出电压点 则系统输出将不断找寻稳定输出值并且在期望输出处上 下跳动 即极限环振荡 下面作图说明了上述情况 如下图2 1 0 所示 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 高数字p 硼分辨率 2 2 3 内在时间延迟 图2 1 0 极限环示意图 d c d c 变换器数字控制的实现步骤为 a d 模块采样输出电压转换成二进 制数 并和对应于参考电压值的二进制数进行比较 运用控制算法得到新的占空 比数值 这个占空比载入p w m 模块并输出p w m 信号给变换器 数字控制器的时延如图2 1 1 所示 采样转换新占空比计算新的采样周期开始 开始结束新占空比准备好 t lt 2t 3t 4 t 5 图2 11 数字p w m 控制器时延 在t l 时刻 a d 转换被触发 a d 转换比p w m 延迟一个很小的时间 以避免 呈 一圉自 吨 v v v v v v v 拟眦蛳m 曼 删黜盥 第二章d c d c 变换器的数字控制方法 开关尖峰 t 2 时刻采样和转换完成 对t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 来说 从t 1 到乜大约为6 9 s 从t 2 到t 3 为新占空比的计算时间 即控制算法执行时间 在t 3 时刻计算完成并准 备好新的占空比 算法执行时间可能需要几个开关周期 在这一时间段内 占空 比保持不变 在t 4 时刻 新的占空比被送入开关变换器 输出电压的采样和转换 新的占空比的计算需要一定的时间 这是由d s p 或 微控制器的性能决定的 另外 一个新的占空比要在下一个周期才能起作用 因 此 对d c d c 变换器的数字控制器来说有一个内在的时间延迟 最小时延为一个 开关周期 2 2 4a d 采样的干扰 开关变换器模拟控制器信号取样一般是连续进行的 而数字控制中采样是离 散的 这就使得开关噪声对后者的影响更为严重 开关噪声发生时刻与采样时刻 不容易错开 采样到的信号不能进行有效的控制 由于在一个开关周期内只来得 及采样一两次 对那些需要快速反应的信号来说 模拟和数字滤波的方法均难以 应用 因此 选择合适的采样算法也是影响变换器控制特性的关键问题 2 2 5 控制算法的选择 d c d c 变换器的开关频率较高 要实现实时控制就要求数字信号处理器在 一个开关周期内完成算法计算 但较复杂的控制算法是达不到这一点的 而常规 算法对变换器的控制又无法取得满意的控制效果 因此 控制算法的选择至关重 要 2 3 小结 本章对数字控制d c d c 变换器中的一些关键问题进行了讨论 其中控制算 法对变换器动态性能的影响尤为重要 本文将传统p i d 控制与模糊控制相结合 提出模糊p i d 控制策略 并引入预测算法对固有的时间延迟进行补偿 在算法执 行过程中 使a d 采样转换比p w m 环节滞后一个很小的时间 以避免开关噪声 对a d 采样的干扰 第三章模糊p i e 预测控制策略 第三章模糊p i d 预测控制策略 随着科技的不断发展 d c d c 变换器越来越复杂 对其控制的动 静态指 标要求也越来越高 由于它的强非线性和参数存在不确定性 期望的静态指标和 动态性能往往用单纯的一种控制策略难以满足 模糊p i d 控制 控制结构灵活多 样 能充分发挥模糊控制和p i d 控制的优点 弥补各自缺点 这种集成控制策略 为我们提供了一条崭新的d c d c 变换器控制途经 微处理器 如d s p 的高速发展 为把不同的控制策略集成起来提供了可能 因此 在今后d c d c 变换器的发展中 这种控制策略必能得到长足的发展和拥有广阔的空间 3 1 模糊p i d 控制及其在d c d c 变换器中的应用 近年来 模糊控制在控制领域受到极大地重视 并有了迅速发展 模糊控制 具有特别适合于那些难以建立精确数学模型 非线性和大滞后过程的特点 因此 对于非线性的d c d c 变换器是一种特别有效的控制方案 模糊控制器主要利用专 家已有的知识和经验进行设计 缺乏系统的设计方法 在稳态下总存在一个小偏 差 与模糊控制不同 p i d 控制适用于线性系统 控制精确 易于分析设计 其 闭环系统稳定性分析验证比较容易 其不足是要求被控系统有精确的数学模型 对于非线性 大滞后等系统难以达到很好的控制效果 模糊p i d 控制能够发挥模 糊控制鲁棒性强 动态响应好 上升时间快 超调小的特点 又具有p i d 控制的 动态跟踪品质和稳态精度 因此 对强非线性 滞后和参数存在漂移的d c d c 变换器 采用模糊p i d 控制能够大大提高系统的控制精度 动态性能和变换器系 统对扰动的自适应能力 在数字控制d c d c 变换器系统中 存在着固有的时间延迟 本文提出一种模 糊p i d 与预测控制相结合的控制策略 用预测算法来补偿时间延迟 这种控制策 略原理简单 便于微机实现 3 2 模糊p i d 控制结构原理 本论文采用混合模糊p i d 控制 4 0 4 3 通过模糊控制对传统p i d 控制器进行 增益调节 根据在每个采样时刻获得的系统响应 就可以知道此时刻系统响应 第三章模糊p i d 预测控制策略 偏离给定的情况及变化趋势 运用模糊控制的方法 对p i d 控制器输出进行增 益调节 以适当加大或减小控制力度 控制响应朝偏离给定方向的变化 使输 出尽快趋于稳定 整定p d 参数时 去掉模糊控制的作用 通过对d c d c 变 换器建立近似线性小信号模型得到优化的p i e 参数 以达到闭环控制系统的性 能要求 模糊增益控制用于补偿建模过程中的非线性 以进一步改善系统的动 态性能 这种混合模糊p m 控制系统框图如图3 1 所示 其中 p i d 控制器的设计基于d c d c 变换器的小信号模型 模糊控制器的 输入为输出电压误差口和电压误差变化率卯 输出为增益因子k j 是f 和卯的 非线性函数 给定值 r 一磊 赢矗罐石i j 图3 1 模糊p i d 控制系统框图 3 3 模糊p i d 控制器设计 数字控制系统的设计有两种设计方法 3 3 模拟法和直接法 模拟法是根据 系统的连续模型先设计好连续时间域内的控制系统 然后将连续系统离散化得 到数字控制系统 一种是直接法 即根据系统的z 域模型得到数字控制系统参 数 本文采用的是模拟方法 3 3 1p i d 控制器设计 1 9 7 6 年r d m i d d l b r o o k 提出了著名的状态空间平均法 这种方法引用时间 平均的思想 从p w md c d c 变换器的各个开关模态的拓扑出发 通过对状态 空间的时间加权来得到统一的状态方程 然后对其进行小信号扰动和线性化处 理得出线性小信号模型 这种变换器建模方法大大推进了对d c d c 变换器工作 特性的理论分析 数字p d 控制器的设计就是基于d c d c 变换器的线性小信号模型 进行 线性化之后 p i d 参数的整定方法很多 4 1 4 1 如 第三章模糊p i d 预测控制策略 1 试凑法 2 z i e g l e r n i e h o l s 设定方法 3 i s t e 最优设定方法 4 极点配置法 5 根轨迹法 6 工程整定法等 然而 由于d c d c 变换器是强非线性系统 而p i d 控制只适用于线性系 统或在有限范围波动的非线性系统 用这种单一p i d 控制难以达到很好的控制 效果 其适用范围有限 为提高p i d 控制系统的控制性能 故采用了如图3 1 所示的模糊控制器部分对p m 输出进行增益调节 3 3 2 模糊控制器设计 1 5 1 7 3 2 3 7 1 确定模糊变量 本设计采用两个输入语言变量 分别为输出电压误差e 和电压误差变化率 e c 输出语言变量为增益因子t k 即为一个双输入单输出的二维模糊控制器 2 输入 输出语言变量语言值的选取及其赋值表 模糊控制器的隶属函数曲线采用三角形 如图3 2 所示 隶属函数的解析 式如下式 3 1 所示 a f 善一口 b 一4 c 一工 c b 口 工s b b x s c 0 x c 3 1 图3 2 三角形隶属函数 采用三角形隶属函数 对每个输入点 最多只有两个隶属函数值 而且计 算简单 二者之和为l 只需要计算出一个就可以知道另外一个值 分别在e 和e c 的论域上定义了五个模糊子集 相应的语言值为 负大 n b 负小 n s 零 z e 正小 p s 正大 p b 在输出语言变量k 第三章模糊p i d 预测控制策略 的论域上定义了三个模糊子集 相应的语言值为 d i v 除 i j n 不变 m u l 乘 它们的隶属函数分别如图3 3 图3 4 所示 图3 3 输入变量e 和e c 的隶属函数 图3 4 输出变量k 的隶属函数 t 将e 量化为九个等级 一0 6 0 4 5 0 3 0 1 5 0 0 1 5 o 3 0 4 5 o 6 并分别表示为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 则由隶属函数曲线可以得到表 3 1 表3 1 输入语言变量e 的赋值表 然 d 6躺 卸b n 1 500 1 50 3 0 4 50 6 n b10 50 0ooo oo n so 0 510 5oo ooo z e 0o00 51 0 5000 p sooo oo0 510 5o p bo oooooo0 51 同理 可将e c 和k 也进行量化 得到表3 2 和表3 3 第三章模糊p i d 预测控制策略 表3 2 输入语言变量e c 的赋值表 惑 0 6 0 4 5 珈1 3 o 1 5 oo 1 50 3n 4 50 6 n bl0 5oo00 oo o n so 0 5l0 5ooooo z eo0o0 510 5o 0 o p s00ooo0 510 50 p booo oo o o0 5l 表3 3 输出语言变量k 的赋值表 越 0 5 o 7 5l1 52 d 1 0 5 00 o u no 0 5l0 50 m u looo 0 5l 3 建立模糊控制规则 生成模糊控制查询表 根据输入语言变量e 和e c 输出语言变量k 建立模糊控制率 第i 条控 制率r 描述如下 尼 i fe 2 a ja n de c 2 b i t h e nk c i 其中 a i b i c i 分别为e e c 和k 在各自论域上的模糊子集 本控制器共5 5 2 5 条以上形式的i f t h e n 条件语句 这2 5 条模糊条件语句可表 示成如表3 4 所示的模糊控制规则表 模糊控制规则建立的原则如下 当要加 强控制作用时 p i d 输出乘以增益因子k 反之乘以因子1 k 当电压误差e 和 误差变化率e c 为零时 因子取为k 1 表3 4 模糊控制规则表 邋 n bn sz ep sp b n bd d d u nm 1 7 i n sd d u nm u lm z ed d u nm i m u l p sd d u nm u l p bd u nm u lm u lm u l 以上模糊控制规则表的每一条规则都决定了一个模糊关系矩阵冠 第三章模糊p i d 预测控制策略 f 1 2 m 这里m 2 5 这些模糊关系之间具有 或 的关系 制规则总的模糊关系足为 r r t v 马v r 3 v v 如 v r 所以这些控 3 2 由模糊语句 i f ea n d e c t h e nk 所决定的三元模糊关系r 为 置 偿x 硒5xk 3 3 有了系统的控制规则总的模糊关系r 之后 则对给定输入语言变量e 和 e c 则其输出控制量为 k e 即 5or 3 4 上述推理还可用另一种方法完成 如公式 3 5 所示 即先由输入和每条 规则所描述的模糊关系r 进行合成运算 然后再将它们的结果取 并 运算 k e e c 蜀v e 1 e c 5 r 2v v e e c 轧r 3 5 应用以上模糊推理规则完成模糊推理之后 模糊推理的输出结果是一个模 糊集合 它反映的是控制量输出语言变量属于其论域中各元素隶属度大小的一 种组合 它包含控制量的各种信息 通常被控量只能接受一个精确量 这就需 要从模糊集合中判决出一个精确的控制量 把模糊量转换为精确量的过程称为 清晰化 或逆模糊化 模糊判决 模糊判决的方法有很多种 常用的有最大隶 属度法 中位数法 加权平均法等 这里采用最大隶属度法进行模糊判决 该 方法是从输出的模糊集合中选取隶属度最大的论域元素作为判决结果 如果在 论域中若干个元素上同时出现隶属度最大值 则取它们的平均值作为判决结果 根据以上所述 经过大量的离线计算 得到表3 5 所示的模糊控制查询表 表3 5 模糊控制查询表 e k 0 u 6删 1 3 o 1 5o o 1 50 3 0 4 5嘶 0 60 50 7 511 522222 0 4 50 50 5o 5l1 52222 0 3 0 50 50 5 0 7 5 11 5222 o 1 50 50 50 5乜1 s11 52 22 e co0 50 50 5o 7 511 5222 o 1 5 0 5 0 5 0 5 o 7 5l 1 5 222 o 30 50 50 5 o 7 5 l1 5222 0 4 50 50 50 50 5o 7 5l1 522 o 6 0 5 0 5 0 5 0 50 5o 7 51t 52 模糊控制查询表是模糊控制算法的一个重要部分 将离线计算得到的结果 第三章模糊p i d 预测控制策略 制成控制表输入微机 以在模糊控制过程中查询使用 3 4 用预测控制补偿时延 1 8 3 4 1 预测控制思想 数字控制的一个主要缺点是控制环频带宽度受a d 转换 算法计算时间及 p w m 输出环节等导致的内在时延限制 因而影响了系统的动态响应特性 为 了补偿数字控制系统的时延 许多预测控制技术被引入数字控制系统中 如 s m i t h 预测器等 然而 这些预测器是建立在控制过程的模型基础上 并不适 合于开关电源这样的快速系统 因为工作在快速变化的过程中的预测器占用许 多数字控制器的资源 本论文采用了一种基于线性外推法的预测技术 简单实 用 为了方便理解时延问题和预测技术 我们可以分析下面的反馈控制系统图 如图3 5 所示 该图在离散域中表示 取 z 是数字控制器 日 s 是控制量到 输出量的传递函数 图3 5 数字控制系统框图 在开关电源中 由于占空比只能在一个开关周期开始时更新 所以计算时 间延迟通常等于一个采样周期 从图3 5 可以看出 控制器在第n 个采样周期 计算出的控制量 由于时间延迟 只能在第n 1 个采样周期时才起作用 预 测控制的思想是在第n 个周期时 估计出第n 1 个周期时的输出值y 用 与给定值比较得到偏差 从而得到控制量甜 因此可以无滞后地控制输出 使时延得到补偿 如果在第n 个周期预测的第n 1 个周期时的输出值y 等于 第n 1 个周期时的实际输出值y 则计算时延可以得到完全补偿 3 4 2 输出估算值推导 假设控制对象为一个二阶系统 如下式 3 6 所示 而这个二阶系统传递 函数在d c d c 变换器中是相当普遍的 第三章模糊p i d 预测控制策略 郦 差赫 c s 石 其中 为自然频率 f 为阻尼系数 6 j 幻为系统系数 假设采样周期为 r 通过z 变换 日o 可转换为 日 改 三 二竺 嬖 竺 1 3 坚竿二竺 璺 3 7 z 2 2 a c o s 疗 z a 2 其中 口 p 一 嘞正 6 i f o 0 6 l b 2 s m o o 护 嘞 1 一善