一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法

摘要

一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法，基于包括比例缩放模块、A/D转换模块、含自适应控制模块和PID控制模块构成的四段式自适应PID控制模块、数字脉冲宽度调制模块以及驱动模块构成的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环；A/D转换器采样经比例缩放后的输出电压并转换为数字电压信号，四段式自适应PID控制模块根据当前误差信号和前一时刻的误差信号判断输出电压处于哪一个阶段，通过对应阶段的参数值计算出占空比命令信号，数字脉冲宽度调制模块和驱动模块根据占空比命令信号得出相应占空比的方波信号，用来控制主拓扑中MOS开关管的通断状态，从而调节变换器的输出电压值。

主权项

一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法，其特征在于：基于包括比例缩放模块、A/D转换模块、含自适应控制模块和PID控制模块构成的四段式自适应PID控制模块、数字脉冲宽度调制模块以及驱动模块构成的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环；当输入电压或负载电流外部环境发生变化时，主拓扑的输出电压会随之出现波动，比例缩放模块通过分压将主拓扑的输出电压放大、缩小或等值处理后由A/D转换模块采样不同周期时刻的主拓扑输出电压后与参考电压进行比较，得到数字化误差信号，自适应控制模块将数字化误差信号的值与阈值电压进行比较，判断出主拓扑的输出电压是处于稳态还是瞬态，以及处于瞬态中的上升态、下降态和过渡态的哪种阶段，根据不同状态分配不同的参数值给PID控制模块，PID控制模块通过K_p、K_i和K_d三个参数计算得到相应的占空比命令信号送至数字脉冲宽度调制模块，再经驱动模块后输出占空比可变的方波信号，用来控制变换器主拓扑中两个互补的MOS开关管的导通和关断时间，从而调节DC/DC变换器的输出电压值；然后再次对主拓扑的输出电压进行A/D转换，重复上述过程进行循环控制直至系统稳定，从而使系统获得更快的瞬态响应；包括以下步骤：1)在第n个开关周期开始时，对主拓扑模拟输出电压v_out(t)进行采样，通过比例缩放和A/D转换得到数字输出电压v_out(n)；2)将数字输出电压v_out(n)与参考电压V_ref比较得到误差信号v_error(n)；3)重复步骤1)和步骤2)两个时钟周期，得到当前时刻误差信号v_error(n)、前一个时刻的误差信号v_error(n‑1)和前两个时刻的误差信号v_error(n‑2)；4)将当前时刻的误差信号v_error(n)的绝对值与阈值电压V_thr进行比较，若误差信号v_error(n)小于或等于阈值电压V_thr，表明主拓扑的输出电压v_out(t)处于稳态，此时，自适应控制模块将为PID控制模块分配有利于提高系统稳定精度的参数K_{p_steady}、K_{i_steady}和K_{d_steady}，若误差信号v_error(n)大于阈值电压V_thr，表明主拓扑的输出电压v_out(t)处于瞬态，则进入下一个判断；5)判断当前时刻误差信号v_error(n)和前一个时刻的误差信号v_error(n‑1)的符号位是否相同，若不相同，则表明主拓扑的输出电压正处于过渡状态，即输出电压从高于稳定值的地方下降到了低于稳定值的地方，或者从低于稳定值的地方上升到了高于稳定值的地方，此时自适应控制模块将为PID控制控制模块输入一组瞬态时的PID参数值K_{p_trans1}、K_{i_trans1}和K_{d_trans1}，若符号位相同，则进入下一个判断；6)比较当前时刻误差信号v_error(n)和前一个时刻误差信号v_error(n‑1)的绝对值大小，若当前时刻误差信号v_error(n)的绝对值较大，则表示输出电压在瞬态时处于上升状态，此时自适应控制模块将为PID控制模块输入另一组瞬态时的PID参数值K_{p_trans2}、K_{i_trans2}和K_{d_trans2}，若前一个时刻误差信号v_error(n‑1)的绝对值较大，则表示输出电压在瞬态时处于下降状态，此时自适应控制模块将再为PID控制控制模块输入第三组瞬态时的PID参数值K_{p_trans3}、K_{i_trans3}和K_{d_trans3}；K_{p_trans3}＝K_{p_steady}+(K_{p_steady}‑K_{p_trans2})*|v_error(n)|/v_{error_peak}；K_{i_trans3}＝K_{i_steady}+(K_{i_steady}‑K_{i_trans2})*|v_error(n)|/v_{error_peak}；其中，v_{error_peak}为误差信号的峰值；7)PID控制模块根据自适应控制模块分配的参数值K_p、K_i和K_d，计算当前时刻的占空比命令信号的改变量△d(n)，再将△d(n)叠加到前一个时刻的占空比命令信号d(n‑1)，计算出当前时刻的占空比命令信号d(n)；8)数字脉冲宽度调制模块根据四段式自适应PID控制模块输出的占空比命令信号d(n)计算出相应的占空比可变的方波信号d(t)，经过驱动模块放大后控制主拓扑中两个MOS开关管的通断，调节DC/DC变换器的输出电压；9)将当前时刻的占空比命令信号d(n)、当前时刻的误差信号v_error(n)以及前一个时刻的误差信号v_error(n‑1)分别储存到前一个时刻的占空比命令信号d(n‑1)、前一个时刻的误差信号v_error(n‑1)以及前两个时刻的误差信号v_error(n‑2)中，实现数据更新；10)对步骤8)中的输出电压再次采样，依次经过四段式自适应PID控制模块、数字脉冲宽度调制模块和驱动模块，生成新的占空比可变的方波信号d(t)控制主拓扑中MOS开关管的通断，循环控制至误差信号v_error(n)在区间[‑2,2]内，即直至变换器的输出电压v_out(n)稳定在参考电压V_ref。