基于雙閉環(huán)模糊PID控制器的開關電源控制

1、基于雙閉環(huán)模糊pid控制器的開關電源控制調整模塊（voltage regulator module，vrm）具有低壓大輸出、迅速負載變幻響應、高輸出穩(wěn)定度等特點，主要應用于cpu等對供電電源有特別要求的芯片的供電。然而隨著集成技術的快速進展，晶體管體積快速減小、單芯片晶體管數(shù)快速增強。這樣的創(chuàng)造技術進展趨勢已經(jīng)使得集成電路芯片的供電電壓越來越低，負載電流越來越大，負載變幻速度越來越快、幅度越來越大。集成電路芯片這樣的越來越嚴酷的供電要求需要vrm 的性能有新的提升。同時性能的提升需要傳統(tǒng)控制辦法有新的進展和變幻。傳統(tǒng)的模擬控制器自unitrode公司推出uc1842系列以來便通常采納雙閉環(huán)控制

2、辦法。在這種控制器中需要一定的三角波信號作為峰值電流控制模式，或v2控制模式的控制內環(huán)輸入信號。故在這樣的控制律下普通采納輸出濾波的電流紋波或輸出濾波的電壓紋波作為控制器內環(huán)反饋信號。但采納輸出濾波電感的電流紋波信號作為控制器輸入使控制器無法挺直獲得負載電流信號。所以該辦法在采樣環(huán)節(jié)存在固有的響應延遲問題。而采納輸出濾波電容的電壓紋波信號作為控制器反饋輸入信號雖然可加快負載變幻的反饋速度。但隨著集成電路供電電壓的不斷降低，其對電源輸出電壓的紋波要求不斷提高，輸出電壓紋波必需越來越小。從而輸出濾波電容的電壓紋波作為控制器的反饋信號必定越來越微弱，信噪比越來越低，越來越簡單受到外部干擾。所以傳統(tǒng)的

3、雙閉環(huán)控制律存在一定的缺陷，同時這一缺陷已經(jīng)越來越無法適應集成電路工業(yè)對供電需求的進展。是一種十分典型的非線性系統(tǒng)，無法建立精確的模型。于此同時含糊pid雙閉環(huán)控制器，圖1作為一種優(yōu)秀的線性與非線性控制相結合的控制辦法具有魯棒性強，不需要對控制對象精確建模等優(yōu)點得到了廣泛的應用。圖1 控制系統(tǒng)框圖本文基于buck變換器提出了一種采納輸出電壓、輸出電流舉行雙閉環(huán)控制的含糊pid（f-pid）控制辦法。并通過matlab/simulink和 pspice聯(lián)合驗證了該新型控制辦法具有很好的穩(wěn)定和瞬態(tài)響應性能。1 雙閉環(huán)f-pid 控制器的設計與實現(xiàn)本文提出的控制辦法挺直以負載電流作為反饋量挺直控制控

4、制器的占空比輸出值，從而避開了傳統(tǒng)控制器因為電流采樣點位置而造成的問題。matlab作為率先的控制算法設計仿真工具，特殊是其中包含有含糊控制工具箱（fuzzy logic toolbox）和simulink設計仿真工具。所以本文中采納matlab作為控制系統(tǒng)的控制器部分的設計仿真工具。本控制器的simulink框圖2。其中輸出電壓標定后作為外環(huán)的反饋量以穩(wěn)定輸出電壓，輸出電流標定后作為內環(huán)的反饋量以加快負載變幻響應。外環(huán)電壓控制器即采納f-pid控制器而內環(huán)電流控制器acr采納傳統(tǒng)的pid控制器以達到控制器復雜度和性能的折中。acr的輸出經(jīng)過調制后作為buck變換器的驅動信號。圖2 控制器模塊

5、本控制器為了滿足vrm對于輸出電壓精確度的高要求，遂讓f-pid控制器工作電壓區(qū)間較小以提高輸出電壓精確度。avr采納f-pid和傳統(tǒng)pid的雙控制器互相切換的結構，3所示。其中傳統(tǒng)pid控制器在輸出電壓誤差十分大時舉行控制，f-pid控制器在輸出電壓誤差在一定限度內時舉行控制。f-pid控制器中的含糊控制器采納典型的兩輸入三輸出設計，4所示。輸入量分離為電壓誤差e 和電壓誤差變幻率ec。輸出量分離為傳統(tǒng)pid控制器的kp，ki，kd的調節(jié)系數(shù)kkp，kki，kkd。這樣可以使含糊控制器自適應pid參數(shù)的設定值，而不用一同調整其中參數(shù)。因為挺直由變換器輸出電壓舉行微分得到的挺直誤差變幻率極易受

6、外部干擾浮現(xiàn)很大的尖峰且挺直誤差變幻率變幻范圍十分大達到正負1e13以上。所以本課題沒有采納微分得到的挺直誤差變幻率作為含糊控制器ec輸入信號，而是對其實行了取常用對數(shù)并保持本來正負的辦法重新標定，5所示。在微分前加入低通以及在微分后加入一階采樣保持器的辦法濾除過大尖峰的方法弱化并消退干擾的影響。圖3 avr模塊圖4 隸屬度函數(shù)圖5 ec標度模塊含糊控制器采納mamdani型。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均為線性，含糊子集為nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb，子集中的元素分離代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。輸入量的論域為-3，3，輸出量的論域為0，6。含糊控制的規(guī)章表6所示。ac

7、r采納常規(guī)pid控制器以迅速響應輸出電流的變幻，7所示。pwm調制時通過調節(jié)鋸齒波的大小變幻范圍設置穩(wěn)態(tài)時的輸出占空比以加快穩(wěn)定。圖6 kp，ki，kd規(guī)章表圖7 pwm模塊2 buck 變換器與控制器的聯(lián)合仿真cadence/pspice 是最常用的功率電路仿真環(huán)境之一，且其提供了極為方便的和matlab舉行聯(lián)合仿真的接口，即matlab/simulink 中的slps模塊。所以本控制系統(tǒng)中buck變換的設計和仿真在pspice環(huán)境下舉行。仿真以1422 v 直流輸入3.3 v/（010 a）直流輸出為buck變換器輸入輸出指標，其中l(wèi)o=30 h，co=220 f，8，圖9所示。圖8 buck變換器圖9 仿真界面3 仿真結果本實驗分離在、電流負載滿載啟動并半載到滿載階躍變幻以及在各種負載類型下輸入電壓從額定最低值階躍跳變到最大值的狀況下舉行了測試以檢驗控制器的性能，10所示。由雙閉環(huán)含糊pid控制器控制的buck變換器在正常運行中任何的負載端或輸入端的變