電源控制另辟蹊徑

　　所面臨的挑戰(zhàn)

　　近年來，數(shù)字電源主要通過模仿使用數(shù)字部件的模擬方法來獲得可與成熟的模擬解決方案相媲美的動(dòng)態(tài)性能。但是電力社區(qū)希望數(shù)字電源能更有所作為，而不僅僅是復(fù)制模擬電源的性能。我們將詳述用于獲得超出模擬電源性能的方法。這樣做的一個(gè)主要好處就是非線性環(huán)路補(bǔ)償，并改善了 DC/DC 同步降壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)性能。

　　解決方案

　　數(shù)控 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

　　在應(yīng)用報(bào)告《基于 UCD91xx 的數(shù)字電源的數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)》[1]中闡述了數(shù)字補(bǔ)償電源的詳細(xì)情況。數(shù)字補(bǔ)償器的幾個(gè)關(guān)鍵組成部分是容錯(cuò) ADC、基于查詢表的 PID 控制器 (CLA) 以及數(shù)字脈寬調(diào)制 (DPWM) 模塊。EADC 轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)值 E，即差動(dòng)反饋電壓和理想輸出電壓之間的壓差。在數(shù)值 E 的基礎(chǔ)上，CLA 對(duì)控制占空比 U 的值進(jìn)行計(jì)算。數(shù)字脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，用于轉(zhuǎn)換器開關(guān)。

　　電壓環(huán)路控制器設(shè)計(jì)

　　就實(shí)施一個(gè)非線性控制來說，設(shè)計(jì)線性數(shù)字控制器的目的是為了提供穩(wěn)定狀態(tài)條件下的精確調(diào)節(jié)[1]。設(shè)計(jì)一旦完成，系數(shù)查詢表就會(huì)根據(jù) E 的各種數(shù)值隨著非線性增益的變化而變化。線性離散時(shí)間差異方程式中 B 的值為常數(shù)，該方程式如下：

　　查詢表是一個(gè) 3X17 的矩陣，矩陣每行開頭均為數(shù)值 E 乘積項(xiàng)(見方程式 1)。3 列代表數(shù)值 E 的采樣數(shù)據(jù)，而 17 行代表其各自的乘積。可以根據(jù)離散 PID 參數(shù) KP、KI 和 KD 將 CLA 表示出來。這些參數(shù)均與 b0、b1 和 b2 相關(guān)，具體關(guān)系表示如下：

　　此種方法被用于計(jì)算 b0、b1 和 b2 [1]。如果 b0、b1 和 b2 為已知，那么相應(yīng)的 PID 增益就可以被計(jì)算出來。然后，非線性地改變這些 PID 增益，通過誤差電壓來完成該非線性系數(shù)表。

　　該方程式列出了比例增益 KP、積分增益 KI 以及微分增益KD[1]。

　　非線性 PID 控制

　　非線性 PID 控制算法是由高志強(qiáng) (Zhiqiang Gao) [2]提出的。非線性比例控制由下列方程式定義：

　　其中，sign (E) 表示誤差 E=(VREF- VOUT)，UP 為控制輸出，K 為線性比例增益 (

　　=1)，而 KP 則為非線性比例增益 (0<

　　<1)。當(dāng) 0<

　　<1 時(shí)，小誤差的增益 KP 更高，反之亦然。這樣有助于保持小穩(wěn)定狀態(tài)誤差、較好的干擾抑制以及穩(wěn)健性。但是，小誤差高 KP 無法保持在一個(gè)寬頻率范圍內(nèi)，因?yàn)橄到y(tǒng)噪聲敏感度增加了。因此，當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，KP 通常被限定在一個(gè)最大值。在穩(wěn)定狀態(tài)附近添加一個(gè)積分控制器，這樣就可以在不增加系統(tǒng)噪聲敏感度的情況下消除穩(wěn)定狀態(tài)誤差。

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　　另外，在大信號(hào)瞬態(tài)期間，穩(wěn)定狀態(tài)附近更高的積分增益僅僅意味著會(huì)出現(xiàn)飽和問題。同積分控制相關(guān)的 90 度相位滯后副作用被極大地最小化。因此，組合非線性比例積分控制器保留了對(duì)理想頻率范圍小誤差更高的敏感度，而且不會(huì)對(duì)高頻噪聲過度敏感。微分控制器被集成在系統(tǒng)中，這樣使得在高誤差時(shí)其增益更高，以此來減少瞬態(tài)期間的過沖和振蕩。因此，組合 PID 控制器就變?yōu)椋?/P>

　　誤差小于一些小數(shù)值 ESM 時(shí)，TI 維持在其初始值 TI LN 上，而該值是基于線性設(shè)計(jì)計(jì)算得出的。誤差更大時(shí)，選擇一個(gè)更大的 TI 值來減少增益 (KP/TI)。這種方法可用來計(jì)算非線性 PID 參數(shù)，以及 CLA 查詢表的相應(yīng)值。

　　實(shí)例設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)參數(shù)：

　　VIN=12V、VOUT=1.0V、IOUT=20A,

　　Kead=200、Kdiv=0.6234、fpwm=500 kHz、Kdpwm=8.751e-5

　　Rds1=2 mOhm、Rds2=0.55 mOhm、L=0.24µH、DCR=0.35 mOhm、R=2.4 mOhm

　　C1=376µF、C2=2820 µF、RC1=0.625 mOhm、RC2=0.83 mOhm、LC1=LC2=0

　　Td=0.24Tpwm

　　利用 fz="6".0 kHz、Qc=0.83 和 wk="2".8572e+6 來設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)控制器。該數(shù)字控制器系數(shù)計(jì)算結(jié)果為 b0=1101、b1=–2100 和 b2=1005。環(huán)路增益 Bode 圖顯示控制器保持了一個(gè) 83.0 kHz 的帶寬、70 度的相位裕度以及 5.4 dB 的增益裕度。從圖中可以看出 10A(10A~20A)階躍 (step) 負(fù)載的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)。最大 VOUT 偏離為