專利名稱：開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及開關(guān)式電源的控制系統(tǒng)，尤其涉及一種開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字 控制系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
在本領域中，因為基于同步整流的開關(guān)式電源是用于把可利用的直流(DC)電平 電壓變換為另一 DC電平電壓。降壓變換器是一種特定類型的開關(guān)式電源，它通過切換流入 耦合到負載的輸出電感器的電流而有選擇性的在輸出電感中儲存能量，從而向負載提供經(jīng) 調(diào)節(jié)的DC輸出電壓。一般的DPWM控制電路用模擬電路元件，如運算放大器，比較器和無源元件如用于 環(huán)路補償?shù)碾娮杵骱碗娙萜鳎约耙恍?shù)字電路元件如邏輯門和觸發(fā)器而構(gòu)成?？赏?惡劣的工作環(huán)境中，控制器的性能會受到噪聲，工藝偏差，溫度等因素的巨大影響。而且模 擬電源控制器需要使用補償電容，無論采用集成方式還是外接方式，都會占用而外的面積， 并導致較大的功耗。即使是專用的模擬集成控制芯片，其外圍電路使用的分立元件仍然存 在參數(shù)精度不一致和瞬態(tài)響應低的問題，近幾年來數(shù)字電源的瞬態(tài)響應性能正日益受到關(guān) 注。瞬態(tài)響應在定義上即系統(tǒng)在某一典型信號輸入作用下，其系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到 穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程。瞬態(tài)響應也稱動態(tài)響應或過渡過程或暫態(tài)響應。在采用諸如最新 的千兆赫DSP、FPGA、ASIC與微處理器等高級IC時，如果內(nèi)核電壓(Vrc)超過規(guī)定的容限， IC就有可能啟動復位或者產(chǎn)生邏輯錯誤。高級DSP (如TI的新型TC16482)、FPGA、ASIC以 及微處理器現(xiàn)在需要士3%這樣更嚴格的內(nèi)核電壓(Vcc)容限，而相比之下以前的產(chǎn)品僅要 5%。上述容限必須包括由于靜態(tài)和動態(tài)工況下所有變化弓丨起的全部輸出電壓偏移。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的局限和不足，本發(fā)明提供一種開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控 制系統(tǒng)與方法。對于開關(guān)電源控制系統(tǒng)來說，通常主要考慮超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間兩項指標。而 對于當前數(shù)字控制系統(tǒng)來說，改善系統(tǒng)瞬態(tài)性能的重中之重在于在一定超調(diào)量范圍內(nèi)，盡 可能的縮短調(diào)節(jié)時間。所以希望使用完全的數(shù)字電路來取代模擬電路元件，因為數(shù)字電路 占用更小的物理空間，消耗更少的功率并允許實現(xiàn)可編程序性特征或自適應控制技術(shù)。不 僅能大大提高瞬態(tài)響應也能降低成本花費。因而，提供一種能優(yōu)于模擬控制并能大幅度提 高瞬態(tài)響應的針對同步整流開關(guān)式電源進行數(shù)字控制的系統(tǒng)和方法是有利的。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù) 字控制系統(tǒng)與方法，其特征在于該控制系統(tǒng)包括采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 模糊PID模塊及DPWM模塊，上述控制系統(tǒng)與受控的開關(guān)電源連接起來，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)， 采樣模塊對開關(guān)電源的輸出電壓進行采樣，采樣輸出經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后 進入數(shù)據(jù)處理模塊，通過數(shù)據(jù)處理模塊中設置的比較器將采樣電壓信號與給定電壓信號比 較，得到當前采樣周期的電壓偏差ε u并予以記錄，同時將當前偏差記錄與上一次偏差記錄計算得到偏差變化率Δ ，將￡1和Δ ε u輸入執(zhí)行控制算法的模糊PID模塊，依據(jù)￡。的 絕對值大小和△ ε 通過選擇器選擇相應的控制策略，得到相應的占空比信號輸出至DPWM 模塊并經(jīng)驅(qū)動電路后輸出控制信號至開關(guān)電源，控制開關(guān)電源功率管的開通與關(guān)斷；然后 再次對開關(guān)電源的輸出電壓進行采樣，并重復上述過程進行循環(huán)控制開關(guān)電源功率管的開 通和關(guān)斷，以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，從而獲得更高得瞬態(tài)響應；執(zhí)行控制算法的模糊PID模塊包括一個選擇器、增量式PID控制器、模糊控制器以 及一個數(shù)據(jù)選擇器，其中模糊控制器包含F(xiàn)uzzy-1、Fuzzy-2兩個模糊控制結(jié)構(gòu)和一個累 加器；模糊PID模塊中的控制算法包括兩個步驟1)預處理根據(jù)電壓偏差ε 通過選擇器來選擇控制策略，并通過使能信號控制 增量式PID控制器、模糊控制器的工作狀態(tài)，首先設定閾值Α、B、C分別代表偏差絕對值小、 中、大三種區(qū)間，如果偏差絕對值在閾值C區(qū)間，調(diào)節(jié)占空比最大或最小以使輸出電壓盡 快接近給定電壓值；如果偏差絕對值在閾值B區(qū)間，根據(jù)模糊理論，結(jié)合考慮偏差變化率 Δ ε u對占空比進行粗調(diào)；如果偏差絕對值在閾值A區(qū)間，則必須用帶死區(qū)的PID策略進行 微調(diào)；2)模糊PID控制部分其包括在模糊控制器中執(zhí)行的模糊控制策略和在增量式 PID控制器中執(zhí)行的增量式PID控制策略，根據(jù)使能信號確定使用哪種控制器，其中模糊控 制器的輸入為電壓偏差￡u和偏差變化率Δ ε u，輸出為開關(guān)電源功率管占空比初值D和變 化值Ad, Ad通過累加器得到(Γ，一旦控制規(guī)則改變，累加器清零，再同D相加得到d，d即 是DPWM模塊需要的占空比控制信號；增量式PID控制器是根據(jù)前幾個周期的偏差計算出功 率管占空比的變化量并通過自身內(nèi)部的累加器得到功率管占空比的控制信號，最后根據(jù)數(shù) 據(jù)選擇器通過使能信號來選擇哪個控制器的控制信號做為最后DPWM模塊的占空比輸出信 號從而更好的控制數(shù)字電源的開關(guān)管用于穩(wěn)壓。在數(shù)據(jù)處理模塊中的比較器之前，還設有數(shù)字濾波器，采用中值平均濾波的算法 以濾除偶然型干擾脈沖并使采樣信號平滑，設有N次采樣值，將其按數(shù)值大小排序后得 X1 ( X2 Xn,去掉最大值Xn和最小值X1，將剩下的采樣值取平均得e (k) avg,計算出來 的e (k) avg將用來計算開關(guān)電源功率管新的占空比。為了減少累積誤差，采樣模塊的采樣頻率必須滿足香農(nóng)采樣定理，采樣頻率取值 是數(shù)字濾波器的工作頻率的N倍，N為數(shù)字濾波器每次處理的采樣數(shù)。設置欠壓保護模塊對AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字輸出電壓進行檢測，當數(shù)字輸出電壓信 號小于設定最低電壓限值時，欠壓保護模塊直接輸出關(guān)斷信號給DPWM模塊，關(guān)斷系統(tǒng)運 行，保護系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果1、本發(fā)明從開關(guān)電源主結(jié)構(gòu)中采樣輸出電壓的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，連續(xù) 的數(shù)字信號進入數(shù)據(jù)處理模塊被數(shù)字濾波處理，并與給定電壓值進入比較器中比較產(chǎn)生偏 差(同時記錄歷史偏差)和偏差變化率，并供給模糊PID模塊，同時對輸出電壓的數(shù)字信號 進行欠壓檢測，如果出現(xiàn)電壓出現(xiàn)異常，則立即送出關(guān)斷PWM信號，終止系統(tǒng)。在模糊PID 模塊中執(zhí)行控制策略，遞交給DPWM輸出模塊合適的占空比，生成開關(guān)控制管的占空比并輸 出，從而更好的控制數(shù)字電源的開關(guān)管用于穩(wěn)壓。
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2、本控制系統(tǒng)方法總體性能優(yōu)越，相比其他數(shù)字控制方法和模擬控制大大的提高 了系統(tǒng)瞬態(tài)響應。3、其調(diào)節(jié)方式相比于模擬控制調(diào)節(jié)期更為靈活，并且全部是用數(shù)字編程控制，可 重構(gòu)性強。4、因為數(shù)字電路占用更小的物理空間，消耗更少的功率并允許實現(xiàn)可編程序性特 征或自適應控制技術(shù)。大大的降低了成本花費。


圖1是本發(fā)明數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中的模糊PID模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是具有本發(fā)明系統(tǒng)的同步整流Buck型DC-DC變換器的閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)圖，此為 本發(fā)明一個實施案例；圖4是本發(fā)明系統(tǒng)方法的流程圖；圖5是模糊控制表1 ；圖6是模糊控制表2。
具體實施例方式參看圖1和圖4，控制系統(tǒng)包括采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模糊PID 模塊、DPWM模塊以及欠壓保護模塊，上述控制系統(tǒng)與受控的開關(guān)電源連接起來，構(gòu)成一個閉 環(huán)系統(tǒng)，采樣模塊對開關(guān)電源主結(jié)構(gòu)的輸出電壓進行采樣，采樣輸出經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn) 換為8位數(shù)字信號后進入數(shù)據(jù)處理模塊，該電壓數(shù)字信號進入數(shù)據(jù)處理模塊被數(shù)字濾波器 處理后通過數(shù)據(jù)處理模塊中設置的比較器將采樣電壓信號與給定電壓信號比較，得到電壓 偏差ε u并予以記錄，同時將當前偏差記錄與上一次偏差記錄計算得到偏差變化率Δ eu, 將￡1和Δ ε 輸入模糊PID模塊(模糊PID模塊使用數(shù)字誤差信號來控制DPWM模塊，該 模塊向具有占空比的電源輸出開關(guān)控制信號，以使電源的輸出值追隨基準直至穩(wěn)壓)依據(jù) ε u的絕對值大小和△ ε 通過選擇器選擇相應的控制策略，得到相應的占空比信號輸出至 DPWM模塊并經(jīng)驅(qū)動電路后輸出控制信號至開關(guān)電源，控制開關(guān)電源功率管的開通與關(guān)斷； 然后再次對開關(guān)電源的輸出電壓進行采樣，并重復上述過程進行循環(huán)控制開關(guān)電源功率管 的開通和關(guān)斷，以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，從而獲得更高得瞬態(tài)響應。在數(shù)據(jù)處理模塊中設置數(shù)字濾波器，該器件基于先前誤差信號和先前控制輸出的 總和而提供數(shù)字控制輸出；AD的工作頻率遠高于DPWM的頻率和開關(guān)電源功率管的工作時 鐘。也就是說，在系統(tǒng)完成一次控制調(diào)節(jié)的過程中可以獲得多個采樣電壓。合理考慮時序 的情況下設計了數(shù)字濾波器以去除干擾、增加精度不失為一種不錯的選擇。數(shù)字濾波器包 括采用中值平均濾波的算法以濾除偶然型干擾脈沖并使采樣信號平滑。設有N次采樣值， 將其按數(shù)值大小排序后可得X1彡X2 Xn，去掉最大值X1^n最小值X1，將剩下的采樣值 取平均得e (k) avgo計算出來的e (k) avg將用來計算功率管新的占空比。由于采樣模塊電路中的采樣頻率、采樣信號的處理方式都會對系統(tǒng)的瞬態(tài)特性造 成影響，采樣頻率關(guān)系著模擬連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號被保留的程度和數(shù)字離散信號可恢 復成模擬連續(xù)信號的逼近度，所以采樣頻率必須滿足香農(nóng)采樣定理，一個合適的采樣頻率
6可以改善系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。也就是說，采樣頻率總是有限的，另一方面，過高的采樣頻率可 能造成不必要的累積誤差。這就需要我們選擇正確的采樣頻率。本發(fā)明采樣頻率取值是 數(shù)字濾波器的工作頻率的N倍，N為數(shù)字濾波器每次處理的采樣數(shù)，此方法可以減少累積誤差。同時我們要進行欠壓檢測，一旦檢測出通過AD獲得的8位數(shù)字輸出電壓信號小于 最低電壓限值則將關(guān)斷信號給DPWM模塊，并立即關(guān)斷系統(tǒng)運行，起到保護系統(tǒng)的作用。為了減小AD轉(zhuǎn)換器的延時帶來的相移從而提高響應速度，要求用于數(shù)字電源的 AD轉(zhuǎn)換器具有較低的延時，無論何種AD轉(zhuǎn)換器，在模擬信號轉(zhuǎn)化到數(shù)字信號的過程中必然 存在一定的時延，該時延過大會導致系統(tǒng)瞬態(tài)性能變壞和精度下降，所以一般不選用積分 型的AD轉(zhuǎn)化器。當通過數(shù)字濾波器得到的偏差ε u以及偏差變化率Δ ε u兩組信號進入模糊PID 模塊中后，系統(tǒng)開始進行比較和選擇控制策略，模糊PID模塊如圖2，主要包括一個選擇器、 增量式PID控制器、模糊控制器以及一個數(shù)據(jù)選擇器。模糊控制器如圖2所示包含F(xiàn)uzzy-I、 Fuzzy-2兩個模糊控制結(jié)構(gòu)和一個累加器；上述組成實現(xiàn)了控制算法。模糊PID模塊的控制算法步驟主要分為以下兩步1)預處理根據(jù)電壓偏差ε 通過選擇器來選擇控制策略并通過使能信號控制增 量式PID控制器、模糊控制器的工作狀態(tài)，首先設定閾值A、B、C分別代表偏差絕對值小、中、 大三種區(qū)間，如果偏差絕對值在閾值C區(qū)間，調(diào)節(jié)占空比最大或最小以使輸出電壓盡快接 近給定電壓值；如果偏差絕對值在閾值B區(qū)間，根據(jù)模糊理論，結(jié)合考慮偏差變化率Δ eu 對占空比進行粗調(diào)；如果偏差絕對值在閾值A區(qū)間，則必須用帶死區(qū)的PID策略進行微調(diào)；2)模糊PID控制部分其包括在模糊控制器中執(zhí)行的模糊控制策略和在增量式 PID控制器中執(zhí)行的增量式PID控制策略，根據(jù)使能信號通過數(shù)據(jù)選擇器確定使用哪種控 制器，其中模糊控制器的輸入為電壓偏差ε u和偏差變化率Δ ε u，輸出為開關(guān)電源功率管 占空比初值D和變化值Δ d，Δ d通過累加器得到(Γ (如果控制規(guī)則一旦改變，累加器則清 零)，再同D相加得到d，d即是DPWM模塊需要的占空比控制信號。增量式PID控制器是根 據(jù)前幾個周期的偏差計算出功率管占空比的變化量并通過自身內(nèi)部的累加器得到功率管 占空比的控制信號。最后根據(jù)數(shù)據(jù)選擇器通過使能信號來選擇哪個控制器的控制信號做為 最后DPWM模塊的占空比輸出信號從而更好的控制數(shù)字電源的開關(guān)管用于穩(wěn)壓。圖3為一個實施例。開關(guān)電源主結(jié)構(gòu)為同步整流的Buck型DC-DC電路作為本例 中數(shù)字控制器的被控對象，此方法也可用于其他的電路主結(jié)構(gòu)，如BOOST型等等，但本例主 要重點分析BUCK型電路，DC-DC類電源設備本質(zhì)的內(nèi)容是通過調(diào)節(jié)開關(guān)控制信號的占空比 調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從而使其保持在合理的范圍之內(nèi)，以滿足其他設備的需求。一個典型 的數(shù)字控制Buck型DC-DC從開始的電壓采樣到最后的采樣組合成了一個帶有數(shù)字控制的 閉環(huán)電路，最終做到穩(wěn)壓控制。本電路中運用的同步整流技術(shù)，它是采用通態(tài)電阻極低的專 用功率M0SFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術(shù)。它能大大提高DC/DC變 換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOSFET屬于電壓控制 型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必 須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。在本例中從AD采樣到數(shù)據(jù)處理模塊再到模糊PID模塊最后到DPWM輸出都是由可編程數(shù)字信號處理器件FPGA來做為硬件控制的。它是采用美國Altera公司紅色颶風II 型號為EP1C6Q240的開發(fā)板，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意編程，其進行系統(tǒng)設計的 主要工具為硬件描述語言VHDL。在本例中從AD采樣到數(shù)據(jù)處理模塊再到模糊PID模塊最 后到DPWM輸出都是由FPGA來做為硬件控制的。其次在控制板上選擇了 TLC5510 AD.它采 用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，可提供最小20Msps的采樣率。然后通過型 號為IR2113的驅(qū)動，為DPWM模塊輸出一個占空比提供驅(qū)動信號。最后在主結(jié)構(gòu)板上輸出 電壓附近的電感電容選擇L = 47uh，C = 22uf是最適合的值。BUCK閉環(huán)電路控制的運作步驟如下首先對此BUCK電路的電源主結(jié)構(gòu)的輸出電 壓進行采樣；輸出電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號，然后該電壓數(shù)字信號進入數(shù)據(jù) 處理模塊被數(shù)字濾波器處理，通過人為給定的精確數(shù)字電壓信號和經(jīng)過濾波的采樣數(shù)字電 壓信號進入比較器獲得偏差(并記錄歷史偏差)，以及與上一偏差求得偏差變化率，以提供 數(shù)字控制輸出，得到電壓偏差ε u和偏差變化率Δ eu0為了減小AD轉(zhuǎn)換器的延時帶來的 相移從而提高響應速度，要求用于數(shù)字電源的AD轉(zhuǎn)換器具有較低的延時，無論何種AD轉(zhuǎn)換 器，在模擬信號轉(zhuǎn)化到數(shù)字信號的過程中必然純在一定的時延，該時延過大會導致系統(tǒng)瞬 態(tài)性能變壞和精度下降，所以一般不選用積分型的AD轉(zhuǎn)化器。同時要進行欠壓檢測，一旦 檢測出通過AD獲得的8位數(shù)字輸出電壓信號異常則將關(guān)斷信號給DPWM模塊，并立即關(guān)斷 系統(tǒng)運行。當通過數(shù)字濾波器得到的偏差以及偏差變化率進入模糊PID模塊中后，則開始 進行比較和選擇控制策略。根據(jù)電壓偏差ε u通過選擇器來選擇控制策略并通過使能信號控制增量式PID控 制器、模糊控制器的工作狀態(tài)，首先設定閾值Α、B、C分別代表偏差絕對值小、中、大三種區(qū) 間，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)本實例設定A區(qū)間范圍為[-0. 2V，0. 2V]，B區(qū)間范圍為[-0.4V， 0. 2V) U (0. 2V，0. 4V]，C區(qū)間范圍小于負(-C ，-0. 4V) U (0. 4V，+~)。如果偏差絕對值 在閾值C區(qū)間，調(diào)節(jié)占空比最大或最小以使輸出電壓盡快接近給定電壓值；如果偏差絕對 值在閾值B區(qū)間，根據(jù)模糊理論，結(jié)合考慮偏差變化率Δ ε 對占空比進行粗調(diào)；如果偏差 絕對值在閾值A區(qū)間，則必須用帶死區(qū)的PID策略進行微調(diào)，其原因是因為當誤差小于時， 除了要消除誤差外，特別要防止系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩和不必要的超調(diào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。接著根據(jù)使能信號通過數(shù)據(jù)選擇器確定使用哪種控制器，其中增量式PID控制器 是根據(jù)前幾個周期的偏差計算出功率管占空比的變化量并通過自身內(nèi)部的累加器得到功 率管占空比的控制信號。其次就是模糊控制器，也是本實例的重點。在模糊控制器中我們主要使用得到的兩個輸入變量電壓偏差ε u和偏差變化率 Δ ε u，通過兩個不同的模糊控制結(jié)構(gòu)的輸出量相加來得到，F(xiàn)uzzy-I輸出D，輸入為％和 Δ ￡u;FuZZy-2輸出Ad，輸入為ε u和Δ ε u ； Δ d通過累加器得到cf，d = D+cf。定義輸 入，輸出變量模糊集合，7個模糊子集[正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZE)，負小(NS)， 負中(NM)，負大(NB)]被選作輸入變量％和Δ ε u，7個模糊子集[正大(PB)，正中(PM)， 正小(PS), # (ZE)，負小(NS)，負中_，負大(NB)]用于輸出變量，以順利地進行控制。 通過對系統(tǒng)性能的分析得到模糊控制規(guī)則，并做出如圖5、圖6相對應的表1，表2在模糊控 制規(guī)則的表達中必須考慮到根據(jù)瞬態(tài)響應使用依賴工作條件的不同控制規(guī)則能大大改善 BUCK變換器主電路的穩(wěn)壓性能。控制規(guī)則描述如下a.當輸出電壓遠離設定點，即偏差范圍(-C ，-0.4V) U (0. 4V，+①)時，(ε u為PB或NB)，需要盡可能快的使電壓誤差變小，必須有較強的調(diào)節(jié)作用，占空比應為最大或最 小，即D為PB或NB，而Ad應該為O(ZE)以防cf連續(xù)的增加或減少引起過沖?；究刂撇?略是若ε u = PB,則D = ΡΒ，Δ d = ZE ；若ε u = NB,則D = ΝΒ，Δ d = ΖΕ。上述表明遠離 設定點時，控制作用主要通過輸出電壓誤差ε u來確定。b.當輸出電壓與設定點距離適中時，即偏差范圍為[—0.4V，0. 2V) U (0. 2V, 0.4V]時，考慮Δ ε u，在確定D的情況下通過調(diào)節(jié)Ad，達到粗調(diào)功率管占空比，提高瞬態(tài)響 應的作用。c.當輸出電壓接近設定點時，即偏差范圍為[_0.2V，0.2V]時，采用帶死區(qū)的PID 微調(diào)，也是就不到一個程度不反應，微小的變化擾動被過濾掉，這樣就能保證穩(wěn)定性，但降 低了精度為代價。上述方法得到的d即是DPWM輸出模塊所需要的占空比控制信號。根據(jù)數(shù)據(jù)選擇 器通過使能信號來選擇哪個控制器的控制信號做為最后DPWM模塊的占空比輸出信號，再 根據(jù)設定的死區(qū)時間，將占空比信號輸出到開關(guān)電源主結(jié)構(gòu)中，并通過驅(qū)動電路為主結(jié)構(gòu) 功率管提供驅(qū)動電壓信號，從而控制功率管的開通和關(guān)斷。最后從開關(guān)電源主結(jié)構(gòu)出來的 采樣輸出電壓Vfd信號，通過采樣電路，和人為給定的精確數(shù)字電壓信號Vref比較產(chǎn)生的 電壓偏差ε u和偏差變化率△ ε 再次送入模糊控制器和增量式PID控制器處理得到占空 比信號，進入DPWM產(chǎn)生功率管控制信號，如此循環(huán)的控制功率管的開通和關(guān)斷，保證系統(tǒng) 更加穩(wěn)定，從而獲得更高得瞬態(tài)響應，這就是整個BUCK閉環(huán)電路控制的運作步驟。需要注意的是，合適的死區(qū)范圍十分重要，若死區(qū)范圍過小，不能起到避免振蕩的 作用；若死區(qū)范圍過大，則會出現(xiàn)最終穩(wěn)壓值不精確的情況。經(jīng)過死區(qū)的PID微調(diào)后的波形 表明，死區(qū)控制對遏制輸出小幅振蕩情況有很好表現(xiàn)，本例中死區(qū)控制是通過設置不靈敏 區(qū)(死區(qū))D，當偏差處于區(qū)域內(nèi)時，控制增量PID算式的輸出為0，達到避免PID控制系統(tǒng) 的頻繁動作，保持系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。本實施例主要研究同步整流數(shù)字控制Buck型DC-DC變換器以及所提高瞬態(tài)響應 的數(shù)字控制方法，也可用于其他的電路主結(jié)構(gòu)，如BOOST型等等，起實質(zhì)主要是采用基于偏 差的模糊控制方法。簡而言之，在給定值遠大于輸出電壓時，DPWM占空比為最大，盡可能快 的使得輸出電壓的提高；在給定值遠小于輸出電壓時，DPWM占空比為最小，盡可能快的使 得輸出電壓降低；而當偏差較小時，采用合適的調(diào)節(jié)方式使之穩(wěn)壓。經(jīng)過本發(fā)明系統(tǒng)與方法 后由示波器顯示出的周期最終效果圖證明，測試瞬態(tài)響應的時間約為9 10個周期，中間 會有些高頻紋波震蕩，但對本系統(tǒng)和瞬態(tài)響應的控制影響不大。而一般電源的響應時間大 概為15到18個周期，說明該方法具有良好的瞬態(tài)響應。本實施例達到了以下效果開關(guān)頻率250kHz；輸入電壓4 10V;輸出電壓3.3V;輸出電流2A;瞬態(tài)響應的超調(diào)量指標小于20% ；瞬態(tài)響應的穩(wěn)態(tài)時間為9 10個周期；具備輸出使能功能和死區(qū)控制功能。
權(quán)利要求
一種開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法，其特征在于該控制系統(tǒng)包括采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模糊PID模塊及DPWM模塊，上述控制系統(tǒng)與受控的開關(guān)電源連接起來，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，采樣模塊對開關(guān)電源的輸出電壓進行采樣，采樣輸出經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進入數(shù)據(jù)處理模塊，通過數(shù)據(jù)處理模塊中設置的比較器將采樣電壓信號與給定電壓信號比較，得到當前采樣周期的電壓偏差εu并予以記錄，同時將當前偏差記錄與上一次偏差記錄計算得到偏差變化率Δεu，將εu和Δεu輸入執(zhí)行控制算法的模糊PID模塊，依據(jù)εu的絕對值大小和Δεu通過選擇器選擇相應的控制策略，得到相應的占空比信號輸出至DPWM模塊并經(jīng)驅(qū)動電路后輸出控制信號至開關(guān)電源，控制開關(guān)電源功率管的開通與關(guān)斷；然后再次對開關(guān)電源的輸出電壓進行采樣，并重復上述過程進行循環(huán)控制開關(guān)電源功率管的開通和關(guān)斷，以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，從而獲得更高得瞬態(tài)響應；執(zhí)行控制算法的模糊PID模塊包括一個選擇器、增量式PID控制器、模糊控制器以及一個數(shù)據(jù)選擇器，其中模糊控制器包含F(xiàn)uzzy 1、Fuzzy 2兩個模糊控制結(jié)構(gòu)和一個累加器；模糊PID模塊中的控制算法包括兩個步驟1)預處理根據(jù)電壓偏差εu通過選擇器來選擇控制策略，并通過使能信號控制增量式PID控制器、模糊控制器的工作狀態(tài)，首先設定閾值A、B、C分別代表偏差絕對值小、中、大三種區(qū)間，如果偏差絕對值在閾值C區(qū)間，調(diào)節(jié)占空比最大或最小以使輸出電壓盡快接近給定電壓值；如果偏差絕對值在閾值B區(qū)間，根據(jù)模糊理論，結(jié)合考慮偏差變化率Δεu對占空比進行粗調(diào)；如果偏差絕對值在閾值A區(qū)間，則必須用帶死區(qū)的PID策略進行微調(diào)；2)模糊PID控制部分其包括在模糊控制器中執(zhí)行的模糊控制策略和在增量式PID控制器中執(zhí)行的增量式PID控制策略，根據(jù)使能信號確定使用哪種控制器，其中模糊控制器的輸入為電壓偏差εu和偏差變化率Δεu，輸出為開關(guān)電源功率管占空比初值D和變化值Δd，Δd通過累加器得到d^，一旦控制規(guī)則改變，累加器清零，再同D相加得到d，d即是DPWM模塊需要的占空比控制信號；增量式PID控制器是根據(jù)前幾個周期的偏差計算出功率管占空比的變化量并通過自身內(nèi)部的累加器得到功率管占空比的控制信號，最后根據(jù)數(shù)據(jù)選擇器通過使能信號來選擇哪個控制器的控制信號做為最后DPWM模塊的占空比輸出信號從而更好的控制數(shù)字電源的開關(guān)管用于穩(wěn)壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法，其特征在于 在數(shù)據(jù)處理模塊中的比較器之前，還設有數(shù)字濾波器，采用中值平均濾波的算法以濾除偶 然型干擾脈沖并使采樣信號平滑，設有N次采樣值，將其按數(shù)值大小排序后得X1 ( X2 (… (Xn,去掉最大值Xn和最小值X1,將剩下的采樣值取平均得e (k) avg,計算出來的e (k) avg 將用來計算開關(guān)電源功率管新的占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法，其特征在 于為了減少累積誤差，采樣模塊的采樣頻率必須滿足香農(nóng)采樣定理，采樣頻率取值是數(shù)字 濾波器的工作頻率的N倍，N為數(shù)字濾波器每次處理的采樣數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法，其特征在 于設置欠壓保護模塊對AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字輸出電壓進行檢測，當數(shù)字輸出電壓信號小于 設定最低電壓限值時，欠壓保護模塊直接輸出關(guān)斷信號給DPWM模塊，關(guān)斷系統(tǒng)運行，保護 系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法，其特征在于 設置欠壓保護模塊對AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字輸出電壓進行檢測，當數(shù)字輸出電壓信號小于設 定最低電壓限值時，欠壓保護模塊直接輸出關(guān)斷信號給DPWM模塊，關(guān)斷系統(tǒng)運行，保護系 統(tǒng)。
全文摘要
一種開關(guān)式電源的高瞬態(tài)響應數(shù)字控制系統(tǒng)與方法，控制系統(tǒng)設有采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模糊PID模塊及DPWM模塊，與受控的開關(guān)電源連接起來，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，采樣模塊對開關(guān)電源的輸出進行采樣，采樣輸出經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，連續(xù)的數(shù)字信號進入數(shù)據(jù)處理模塊被數(shù)字濾波處理并與設定的電壓值進入比較，產(chǎn)生的偏差和偏差變化率供給模糊PID模塊，在模糊PID模塊中執(zhí)行控制算法，遞交給DPWM輸出模塊合適的占空比，生成開關(guān)控制管的PWM信號并輸出，從而更好的控制數(shù)字電源的開關(guān)管用于穩(wěn)壓。同時對輸出電壓的數(shù)字信號進行欠壓檢測，如果出現(xiàn)電壓出現(xiàn)異常，則立即送出關(guān)斷PWM信號，終止系統(tǒng)。
文檔編號G05B13/02GK101917119SQ20101026040
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者孫偉鋒, 徐申, 時龍興, 李青乘, 陸生禮, 陳寧 申請人:東南大學