CN102946189B - 一种数字电源控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字电源控制系统的控制方法，其特征在于在PID调节控制基础上，增加了对输入电压的调节，并按以下方法进行控制：当控制器采集到的输入电压的变化量和实际的输出电压值与设定的输出电压值之间的误差都超过其门限值时，系统将不再用PID调节控制，而是直接利用输入电压值和输出电压值计算出所需要的PWM占空比作为控制量输出；而在其它情况下，系统则采用PID调节控制。本发明能够保证输出电压Vout不会因为输入电压Vin突变而出现过大的过冲或者负冲。

Description

一种数字电源控制系统的控制方法

技术领域

本发明涉及数字控制电源(DigitalControlPower)的控制系统，尤其涉及数字控制电源的闭环控制系统，主要是针对输入电压剧烈变化时，数字电源控制系统对输入电压的处理。

背景技术

随着单片机和DSP技术的发展，数字电源应用的越来越广泛。数字电源能够提供智能化的适应性和灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足复杂的电源要求。此外，电源系统利用单片机和DSP技术可以很容易地实现通信，监控，上电时序控制，各种保护处理，负载分配等功能。

在数字电源系统中，闭环控制一般采用数字PID控制，即将实际输出电压Vout与期望输出电压Voset之间的误差进行比例、积分和微分计算，然后再将这三项合起来，通过对PWM占空比的控制来调节输出电压。常用数字PID控制的原理如图1所示。

这种控制控制主要是利用输出电压与期望输出电压之间的误差作为控制的输入量，来调节输出电压，需要电源系统具有足够的相位裕度，幅值裕度以及环路带宽来保证系统的动态性能和稳态性能。但是在Boost和Flyback等一些电路中，其传递函数具有右半平面零点(RightHalfPlaneZero)，使得控制系统环路带宽受限，系统对误差信号的响应比较慢，导致电路的动态性能比较差。特别是系统在输入电压Vin的快速变化情况下，并且没有前馈控制，常用的数字PID控制很难快速响应而改变PWM占空比，致使输出电压出现较大的超调量(Overshoot)，严重的会触发输出过压保护，导致模块关断，甚至，更严重的还会损坏后面的贵重电子元件。

而目前，无论是客户，还是行业的标准都对电源模块的性能提出了更高的要求，需要电源系统能够在非常恶劣的环境下都正常工作，例如雷击导致的输入电压突变，或者Surge测试中的浪涌电压引起模块输入电压的快速变化。这样就迫使电源控制系统采用新的处理方式来提高系统的响应速度和可靠性。

发明内容

本发明要解决现有控制技术存在的上述问题，旨在提供一种新的输入电压处理方法，将其运用于数字控制电源系统中，以提高系统的响应速度。

解决上述问题采用的技术方案是：一种数字电源控制系统的控制方法，其特征在于在PID调节控制基础上，增加了对输入电压的调节，并按以下方法进行控制：当控制器采集到的输入电压的变化量和实际的输出电压值与设定的输出电压值之间的误差都超过其门限值时，系统将不再用PID调节控制，而是直接利用输入电压值和输出电压值计算出所需要的PWM占空比作为控制量输出；而在其它情况下，系统则采用PID调节控制。

系统在正常工作情况下，电路的PWM占空比的大小是由输出电压与期望电压之间的误差经过闭环PID调节计算得到。但当输入电压Vin发生突变时，由于PID调节控制的响应速度不够快，必然会造成电源系统的输出电压Vout过调，从而使系统不稳定。当输入电压和输出电压的突变量都超过门限值时，本发明利用数字电源控制的灵活性，将闭环控制由PID控制切换成非线性控制，保证输出电压Vout不会因为输入电压Vin突变而出现过大的过冲(overshoot)或者负冲(undershoot)。当输入电压Vin恢复正常或者是输出电压Vout控制在门限值以内，系统又会将闭环控制切换到数字PID控制；同时，采用曲线拟合技术将所述的PWM占空比与输入电压值和输出电压值的关系式转化为只有乘法和加减法的等式。

通常，如果利用输入电压Vin计算出PWM占空比D需要运用到除法计算，但大多数先进的微控制器只包含硬件乘法器，却没有专用的除法器。例如目前广泛应用的DSP芯片内核中，通常都有可单周期完成的片内硬件乘法器，以实现某些复杂算法如滤波以及实时处理等。本发明为了提高计算速度，采用曲线拟合的技术，将PWM占空比与输入电压值和输出电压值的关系式转化为只有乘法和加减法的等式，充分利用DSP的乘法器去实现除法运算。

作为本发明的更进一步的改进，对输入电压采用以下预估计算的方式进行修正，以达到快速改变PWM占空比来增加系统响应速度的目的：将所采到的输入电压的值加上此次输入电压的值与上一次输入电压的值的差作为计算的输入量。

作为本发明的再进一步的改进，在数字PID控制中引入抗饱和技术，以保证系统切换时工作的稳定性和平滑性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本是数字PID控制的原理图。

图2是本发明带预估计补偿的非线性控制原理图。

图3是本发明的曲线拟合图。

图4是两种控制方式的波形图，其中(a)为现有技术中仅采用PID控制时的波形图，(b)为本发明非线性控制的波形图。

具体实施方式

参照图2，本发明的数字电源控制系统的控制方法，其特征在于在PID调节控制基础上，增加了对输入电压Vin的调节，并按以下方法进行控制：当控制器采集到的输入电压的变化量ΔUin和实际的输出电压值Uout与设定的输出电压值Uoset之间的误差︱Uout－Uoset︱都超过其门限值时，系统将不再用PID调节控制，而是直接利用输入电压值Uin和输出电压值Uout计算出所需要的PWM占空比D作为控制量输出；而在其它情况下，系统则采用PID调节控制。

本发明的主要特点如下：

①非线性控制技术

常用的PID调节控制器是一种线性控制器，它是利用系统实际输出量y(t)与给定量r(t)之间误差的时间函数e(t)＝r(t)-y(t)作比例，积分和微分运算组合的线性调节，形成控制量u(t)输出，如式1所示。

$u\left(t\right)=k_p(e+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}edt+T_d\frac{de}{dt})$ 式1

而本发明的控制系统是在常用的PID调节控制基础上，增加了对输入电压Vin的调节，即当输入电压的变化和输出电压都超过其门限值时，系统将不再用PID调节控制，而是直接利用输入电压的值计算出所需要的PWM占空比。例如在Flayback电路中，PWM占空比与输入电压的关系式如式2所示。

$U_{out}=\frac{{\mathrm{DU}}_{in}}{N(1-D)}\⇒D=\frac{{\mathrm{NU}}_{out}}{U_{in}+{\mathrm{NU}}_{out}}$

式2

式中输出U_o和变压器匝比N都可以看作是常数，所以PWM占空比D只与U_in有关，根据U_in的值就可以算出D。结合上面两个式子可以得出整个系统就是一个非线性控制器，关系式如下所示。

式3

②曲线拟合技术

从上面的式2可以得到，如果利用输入电压Vin计算出PWM占空比D需要运用到除法计算，但大多数先进的微控制器只包含硬件乘法器，却没有专用的除法器。例如目前广泛应用的DSP芯片内核中，通常都有可单周期完成的片内硬件乘法器，以实现某些复杂算法如滤波以及实时处理等。本系统为了提高计算速度，充分利用DSP的乘法器去实现除法运算。原理是采用曲线拟合的技术，将式2转化成下面只有乘法和加减法的等式，如式4所示，然后再利用DSP快速地计算出相应的PWM占空比D。

D＝a_n(U_in)ⁿ+a_n-1(U_in)^n-1+....+a₁U_in+a₀

式4

下面以反激电路为例具体介绍非线性控制和曲线拟合技术。反激电路的变压器的匝比N＝3:2，输出电压为12.5V，由式2可以得到下面等式。

$D1=\frac{{\mathrm{NU}}_{out}}{U_{in}+{\mathrm{NU}}_{out}}=\frac{18.75}{U_{in}+18.75}$ 式5

在Surge实验，使反激电路的输入电压Vin在150uS时间内，从19V上升到80V。利用专门的软件算出Vin在19V到80V之间，式5所对应的只有乘法和加减法的等式，如式6所示。

D2＝-1.0793×10^-6×U_in ³+2.3298×10^-4×U_in ²-1.9124×10^-2×U_in+0.7799式6

下面图3是式5和式6的曲线拟合图。从图可以知道式5和式6在Vin从19V到80V的电压之间，几乎没有区别，所以可以用式6代替式5去作运算。

下图4是实验中两种控制方式的对比波形图。图中，CH1：输入电压Vin(20V/div)，CH2：输出电压Vout(5V/div)。从图中可以得到，在同样的Vin输入条件下，在PID控制下，输出电压会过冲而导致过压保护。而用非线性控制就可以大大的抑制输出电压的过冲。

③输入电压Vin预估计算的方法

数字闭环控制是一种基于离散化的控制，不能实现完全的实时控制，总有一定的延迟时间，例如DSP的ADC采样与转换时间，PWM占空比的计算等都会造成系统计算的延时，由于DSP性能越来越高，这些延迟时间在正常情况下已经对系统性能没有太大的影响。但在输入电压Vin快速变化的情况下，例如作Surge实验时，在100uS内会使输入电压Vin达到80V左右的突变，这种情况下DSP系统控制的延时就不能忽略了。

本发明中采用对输入电压Vin预估计算的方式，即利用当前ADC所采到的输入电压的值加上此次Vin的值与上一次Vin的值的差作为计算的输入量U_c＝U_n+(U_n-U_n-1)，利用Δ＝U_n-U_n-1作为计算的补偿量，去修正由于DSP系统的延迟时间造成的计算误差。

实验中还可以利用输入电压Vin的上升斜率计算出数字系统延迟的补偿量。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种数字电源控制系统的控制方法，其特征在于在PID调节控制基础上，增加了对输入电压(Vin)的调节，并按以下方法进行控制：当控制器采集到的输入电压的变化量(ΔUin)和实际的输出电压值(Uout)与设定的输出电压值(Uoset)之间的误差(︱Uout－Uoset︱)都超过其门限值时，系统将不再用PID调节控制，而是直接利用输入电压值(Uin)和输出电压值(Uout)计算出所需要的PWM占空比(D)作为控制量输出；而在其它情况下，系统则采用PID调节控制；同时，采用曲线拟合技术将所述的PWM占空比(D)与输入电压值(Uin)和输出电压值(Uout)的关系式转化为只有乘法和加减法的等式。

2.如权利要求1所述的数字电源控制系统的控制方法，其特征在于对输入电压(Vin)采用以下预估计算的方式进行修正：将所采到的输入电压的值加上此次输入电压(Vin)的值与上一次输入电压(Vin)的值的差作为计算的输入量。