基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法与流程

本发明属于电源控制技术领域，涉及基于积分分离的数字电源环路补偿器的设计方法PID便携式电子产品电源适配器可采用数字电源环路补偿器的设计方法。

背景技术：

一般电源的控制模式分为模拟控制和数字控制，模拟控制模式称为模拟电源，数字控制模式称为数字电源。随着电源管理芯片的发展，数字控制电源设计已成为当前的设计趋势。输出反馈电路、模数转换器、数字补偿器字补偿器和脉冲调制电路。数字电源系统有闭环，存在稳定性问题。当数字系统不稳定时，需要使用补偿器来补偿数字电源系统的相位裕度，使数字电源系统稳定。补偿器是数字电源的核心部分，其功能是保证整个数字电源系统的稳定性。补偿器是比例、积分和微分三种控制方式的组合，也就是PID控制，比例控制模式可以提高系统的稳态精度，加快响应速度；微分控制模式可以提高系统的响应速度；积分控制模式可以消除或减少系统的稳态误差，但由于积分依赖于误差的积累来消除稳态误差，因此会降低系统的响应速度，导致数字电源调整时间长，超调量大，直接影响整个数字电源输出的稳定性和动态性能。

传统数字补偿器的设计方法分为直接法和间接法。直接法是直接建立环的离散域数学模型，绘制数学模型的波特图。通过判断波特图中的相位裕度，确定系统是否需要补偿。如果需要补偿，则在环中添加PID如果控制算法满足系统的相位裕度要求，则可以基于PID算法补偿器。

间接法和直接法的区别在于间接法是建立数字电源的连续域数学模型，然后采用PID控制算法补偿数字电源系统，获得连续域补偿器，最后将连续域补偿器数字化。间接法采用PID当补偿后的数字电源系统误差较大时，控制算法对数字系统进行补偿PID积分控制在控制算法中的作用会减慢系统的反应速度，导致数字电源系统的过度调整量大，调整时间长。针对这个问题，研发人员提出了不同的问题PID为了减少系统的超调量和调整时间，控制算法参数的优化方法，例如授权公告号CN202189240 U，名称为一种参数优化PID中国控制装置专利公开了一项PID采用混沌优化算法对控制器PID控制参数进行优化，虽然可以使系统的超调量和调整时间变小，但其并未从根本上解决当系统的误差量较大时，由于积分作用导致系统输出的超调量大和调整时间变长的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提出基于积分分离的建议PID数字电源环路补偿器的设计方法旨在获得超调量小、调整时间短的数字电源系统。

本发明的技术思路:通过建立数字电源系统拓扑结构连续域数学模型，绘制连续域数学模型的波特图，然后根据连续域数学模型波特图中的相位裕度和数字电源系统设计标准的相位裕度进行补偿。PID算法，补偿数字电源系统的相位裕度PID在此基础上，补偿器传递函数PID补偿器传递离散化的函数PID在补偿器中，引入积分分离算法获得积分分离PID补偿器。

根据上述技术思路，实现本发明目的的技术方案包括以下步骤：

(1)建立数字电源拓扑结构输出信号与开关控制信号之间的连续域数学模型Gvd(s)；

(2)绘制连续域数学模型Gvd(s)波特图，比较Gvd(s)波特图中数字电源系统的相位裕度和数字电源系统设计标准的相位裕度Gvd(s)补偿波特图中相位裕度小于数字电源系统设计标准的相位裕度；

(3)根据数字电源系统设计标准的相位裕度，对数字电源系统进行补偿PID补偿器的传输函数Gc(s)：

(3a)在SISOTOOL构建数字电源系统；

(3b)采用PID控制算法，调整数字电源系统的相位裕度PID补偿器的传输函数Gc(s)；

(4)对PID补偿器的传输函数Gc(s)离散，得到PID补偿器的离散传递函数Gc(z)；

(5)采用积分分离算法PID补偿器的离散传递函数Gc(z)分离，得到积分分离PID补偿器：设置数字电源系统误差量e(k)的阈值δ；数字电源系统的实时误差e(k)与阈值δ如果确定数字电源系统补偿器的实时补偿类型，e(k)≥δ，数字电源系统的实时补偿器PD补偿器；若e(k)＜δ，数字电源系统的实时补偿器PID补偿器，由PD补偿器和PID补偿器构成积分分离PID补偿器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明正在获得PID在数字电源环路补偿器的设计过程中PID补偿器传递函数后，采用积分离算法PID当误差大时，补偿器传输函数被分离，取消PID补偿器的积分作用，采用PD补偿器补偿；误差小时使用PID补偿器补偿最终获得基于积分的补偿PID补偿器改善了系统的超调量和调整时间。

附图说明

图1是本发明的实现过程框图；

图2是本发明的DC/DC拓扑结构示意图；

图3是本发明的连续域数学模型Gvd(s)的波特图；

图4是本发明补偿后数字电源系统的波特图。

具体实施方法

本发明结合附图和具体实施例进一步描述。

参照图1，本发明包括以下步骤：

第一步是建立数字电源拓扑结构输出信号与开关控制信号之间的连续域数学模型Gvd(s)，本实施例的数字电源拓扑结构采用DC/DC拓扑结构的实现步骤如下：

步骤1a，根据DC/DC拓扑结构的工作原理，列写DC/DC拓扑结构状态空间表达式：

DC/DC拓扑结构如图2所示，Vin(t)输入电源，Q1为开关管，D1为二极管，L为电感，C为电容，R为电阻，V(t)输出电压，d控制开关管的信号，L＝1uH，C＝47uF，R＝0.6ohm，Vin＝2.7～6V，输出电压1.8V，输出电流3A，开关频率1.5MHz。图2的工作状态如下：

工作状态1：当d为高电时，Q1开启，D1关断，DC/DC拓扑结构的工作状态可以用方程表达为：

工作状态2：当d为低电时，Q1关断，D打开，输入电源Vin(t)此时停止为电路供电，DC/DC拓扑结构的工作状态可以方程表达为：

在低频时域，忽略电路中纹波的影响，工作状态1和工作状态2可合并为：

根据<5>和<6>表达式，列出状态空间表达式：

步骤1b，数字电源拓扑结构的空间表达<7>在数字电源拓扑结构输出信号与开关控制信号之间进行连续域数学模型转换Gvd(s)：

将DC/DC代入式拓扑结构参数<8>，获取连续域数学模型Gvd(s)：

步骤2，绘制连续域数学模型Gvd(s)波特图：使用MATLAB绘制连续域数字模型软件Gvd(s)波特图如图3所示。图中横轴表示频率，上半部分纵轴表示振幅值，下半部分纵轴表示相位。从图中可以看出，数字电源系统的相位裕度为10度，小于数字电源系统设计标准的相位裕度为45度。

第三步：根据数字电源系统设计标准的相位裕度，对数字电源系统进行补偿PID补偿器的传输函数Gc(s)：

步骤3a，在SISOTOOL构建数字电源系统；

步骤3b，采用PID控制算法，调整数字电源系统的相位裕度PID补偿器的传输函数Gc(s)：

图4是补偿后数字电源系统的波特图。图中横轴表示频率，上半部分纵轴表示振幅值，下半部分纵轴表示相位。从图中可以看出，补偿后数字电源系统的相位裕度为50.9度，其相位裕度大于数字电源系统设计标准。

步骤4，对PID补偿器的传输函数Gc(s)离散，得到PID补偿器的离散传递函数Gc(z)：借助MATLAB软件采用零极点匹配法PID补偿器的传输函数Gc(s)离散，得到PID补偿器的离散传递函数Gc(z)：

步骤5采用积分分离算法PID补偿器的离散传递函数Gc(z)分离，得到积分分离PID补偿器：在Simulink中搭建包含PID补偿器的离散传递函数Gc(z)给定数字电源系统的数字电源系统误差e(k)模拟数字电源系统的不同阈值，选择数字电源系统输出的超调量和调整时间的最小阈值，以获得数字电源系统的误差量e(k)的阈值δ为0.2.数字电源系统的实时误差量e(k)与阈值δ如果确定数字电源系统补偿器的实时补偿类型，e(k)≥δ，取消PID数字电源系统的实时补偿器是补偿器中的积分控制PD补偿器；若e(k)＜δ，不需改变PID补偿器为数字电源系统的实时补偿器PID因此，补偿器PD补偿器的比例控制系数和PID补偿器的比例控制系数相同，两者的微分控制系数相同PD补偿器和PID补偿器构成积分分离PID补偿器。

以上只是本发明的最佳例子，不构成对本发明的任何限制。显然，在本发明的概念下，可以进行不同的变更和改进，但这些都在本发明的保护之列。