CN107104593B - Pwm数字电源的共用积分项pid双闭环控制器 - Google Patents

Pwm数字电源的共用积分项pid双闭环控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，包括双闭环PID控制模块，其误差模块用于分别测算每个采样周期的电压误差和电流误差，并分别传输给比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块；比例项计算模块用于测算采样周期的电压环比例项和电流环比例项；微分项计算模块用于测算采样周期的电压环微分项和电流环微分项；积分项计算模块用于根据采样周期的电压环比例项与电流环比例项的大小，对共用积分项的积分因子进行赋值，并根据积分因子计算共用积分项的值；通过输出模块测算出电压环或电流环的调节量输出，通过PWM控制DC/DC电源。本发明有效避免了PWM数字开关电源出现过冲现象，动态特性好，频率带宽高。

Description

PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器
技术领域
本发明涉及数字开关电源领域，特别涉及PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器。
背景技术
随着大量的电力及电子设备的应用，所有的电力及电子设备都离不开可靠的电源；PWM数字开关电源与人们的工作和生活关系日益密切。对于储能设备而言，电源输出的电压和电流过冲会损坏储能设备(如蓄电池和超级电容等)的内部结构，导致储能设备容量下降或循环寿命缩短。
现有的PWM数字开关电源系统普遍采用电压和电流双闭环控制，将采样得到的输出电压和电流作为反馈信号，实现闭环控制，达到输出稳压、限流和保护等多种功能。数字开关电源的电压和电流双闭环控制主要有两种：第一种为电压和电流独立的PID控制，即输出的电压和电流经采样并与设定参考值比较后，分别获得电压和电流的误差信号，再经过分别独立的PID电路输出PWM调节信号，以达到恒流稳压的闭环控制目的；第二种为电压外环+电流内环控制方式，将电压环调节器的输出作为电流环调节器的输入给定，但电压环和电流环仍然是分别采用独立的PID算法来实现调节和控制。
在电压环和电流环分别独立的PID控制模式下，其电压和电流PID模型相互独立，互不影响，以输出调节量较小的调节器输出作为控制信号，两个环路相互切换调节。在电源系统处于恒压模式时，电压环的PID调节器工作，假设采样电流小于设定目标参考电流，此时电流环比较器的输出为正，PID调节器积分项将持续累加直至达到最大限幅值，若调节过程中电源输出负载发生波动，在系统切入限流模式时，由于电流环PID调节器积分项的作用，系统响应时间延长，导致电源输出电流过冲，影响电源及后级设备正常工作。同理，在电源系统从恒流模式切换到恒压模式时，由于电压环PID调节器积分项的作用，系统输出电压也将出现过冲，切换过程的动态性能较差，调节器不连续。
在电压外环+电流内环控制模式中，电压环的输出作为电流环的给定，在电源系统处于恒压模式时，电压环起主要调节作用，但内环电流环也同时参与调节。当电源从恒压模式切入到恒流模式时，电压环退出调节，但电压环的积分运算还在继续，将最终达到积分最大限幅值，电流环则以最大给定值工作，但整个过程电流环持续参与调节，因此不会出现电流过冲。但是当电源系统再次从恒流模式切换到恒压模式时，由于之前电压环PID调节器积分项的作用，系统输出电压将会出现过冲，进而影响电源性能。相比电压电流分别独立的PID控制模式，电压外环+电流内环控制模式能够避免恒压转恒流模式时的电流过冲，但其电压调节器建立在电流调节器的基础上，电压环延迟时间长，动态特性差，频率带宽低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有PWM数字开关电源控制所导致的电压、电流过冲，以及动态特性差、频率带宽低等问题，提供一种有效避免电压、电流过冲，动态特性好，频率带宽高的PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，包括双闭环PID控制模块，所述双闭环PID控制模块包括误差模块、比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块、输出模块；
所述误差模块分别与比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块连接，用于分别测算每个采样周期的电压测量值与电压目标值之间的电压误差、电流测量值与电流目标值之间的电流误差，并将电压误差、电流误差分别传输给比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块；
所述比例项计算模块用于根据双闭环PID控制模块所述采样周期输入电压误差和电压环比例系数测算双闭环PID控制模块的电压环比例项；根据双闭环PID控制模块所述采样周期的输入电流误差和电流环比例系数测算双闭环PID控制模块的电流环比例项；
所述微分项计算模块用于根据双闭环PID控制模块的所述采样周期的电压误差、上一采样周期的电压误差、和电压环微分系数测算双闭环PID控制模块的电压环微分项，根据双闭环PID控制模块的所述采样周期的电流误差、上一采样周期的电流误差、和电流环微分系数测算双闭环PID控制模块的电流环微分项；
所述积分项计算模块用于根据比例项计算模块测算出来的所述采样周期的电压环比例项与电流环比例项的大小，对共用积分项的积分因子进行赋值，并根据积分因子及双闭环PID控制模块的电压环积分系数或电流环积分系数计算共用积分项的值；
所述输出模块分别与比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块连接，根据积分项计算模块测算出来的双闭环PID控制模块的所述采样周期的电流环比例项或电压环比例项，测算双闭环PID控制模块电压环或电流环的调节量输出，通过PWM控制DC/DC电源。
进一步地，当采样周期的电压环比例项小于所述采样周期的电流环比例项时，积分项计算模块将电压误差赋予共用积分项的积分因子，再根据积分因子及双闭环PID控制模块的电压环积分系数计算共用积分项的值；输出模块测算双闭环PID控制模块所述采样周期的电压环的调节量输出通过PWM控制DC/DC电源。
进一步地，当采样周期的电压环比例项大于所述采样周期的电流环比例项时，积分项计算模块电流误差赋予共用积分项的积分因子，再根据积分因子及双闭环PID控制模块的电流环积分系数计算共用积分项的值；输出模块测算双闭环PID控制模块所述采样周期的电流环的调节量输出通过PWM控制DC/DC电源。
进一步地，还包括输出电压采样模块、输出电流采样模块，
所述输出电压采样模块一端与PWM数字开关电源输出端连接，输出电压采样模块采集PWM数字开关电源所述采样周期的输出电压传输给误差模块；
所述输出电流采样模块一端与PWM数字开关电源输出端连接，输出电流采样模块采集PWM数字开关电源所述采样周期的输出电流传输给误差模块。
进一步地，还包括目标电压电流模块，用于设定、存储PWM数字开关电源目标输出的电压值、电流值，并将所述电压值、电流值传输给误差模块。
进一步地，还包括PID系数赋值模块，用于分别计算、存储电压环的电压环比例系数、电压环积分系数、电压环微分系数，和电流环的电流环比例系数、电流环积分系数、电流环微分系数；并将所述电压环的电压环比例系数、电压环积分系数、电压环微分系数，电流环的电流环比例系数、电流环积分系数、电流环微分系数传输给比例项计算模块、积分项计算模块、微分项计算模块。
采用上述技术方案，由于采用了包括括误差模块、比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块、输出模块的双闭环PID控制模块技术特征。通过判断比例项计算模块测算的电压环比例项与电流环比例项的大小，积分项计算模块实现双闭环PID控制模块采样周期闭环的电流环比例项或电压环比例项赋值，输出模块实现双闭环PID控制模块采样周期相对应的电流控制输出或电压控制输出。本发明积分项计算模块从恒流模式切换到恒压模式时，积分项计算模块没有出现电流误差的累加，测算的积分项是恒压模式下的电压误差积分；同样在从恒压模式切换到恒流模式时，积分项计算模块不会出现电压误差的累加，测算的积分项是恒流模式下的电流误差积分；有效避免了现有技术中存在的电压、电流过冲现象的发生。本发明切换反应快、动态特性好，频率带宽高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如附图1所示，PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，包括双闭环PID控制模块1，双闭环PID控制模块1包括误差模块2、比例项计算模块3、微分项计算模块4、积分项计算模块5、输出模块6。
误差模块2分别与比例项计算模块3、微分项计算模块4、积分项计算模块5连接，用于分别测算每个采样周期的电压测量值与电压目标值之间的电压误差、电流测量值与电流目标值之间的电流误差，并将电压误差、电流误差分别传输给比例项计算模块3、微分项计算模块4、积分项计算模块5。
比例项计算模块3用于根据双闭环PID控制模块1在同一个采样周期输入电压误差和电压环比例系数测算双闭环PID控制模块1的电压环比例项；根据双闭环PID控制模块1同一个采样周期的输入电流误差和电流环比例系数测算双闭环PID控制模块1的电流环比例项。
微分项计算模块4用于根据双闭环PID控制模块1的同一个采样周期的电压误差、上一采样周期的电压误差、和电压环微分系数测算双闭环PID控制模块1的电压环微分项，根据双闭环PID控制模块1的同一个采样周期的电流误差、上一采样周期的电流误差、和电流环微分系数测算双闭环PID控制模块1的电流环微分项。
积分项计算模块5用于根据比例项计算模块5测算出来的同一个采样周期的电压环比例项与电流环比例项的大小，对共用积分项的积分因子进行赋值，并根据积分因子及双闭环PID控制模块1的电压环积分系数或电流环积分系数计算共用积分项的值。
输出模块6分别与比例项计算模块3、微分项计算模块4、积分项计算模块5连接，根据积分项计算模块6测算出来的双闭环PID控制模块1的同一个采样周期的电流环比例项或电压环比例项，测算双闭环PID控制模块1电压环或电流环的调节量输出，通过PWM数字开关电源9控制DC/DC电源。
本发明积分项计算模块5从恒流模式切换到恒压模式时，积分项计算模块5不会出现电流误差的累加，测算的积分项是恒压模式下的电压误差积分；同样在从恒压模式切换到恒流模式时，积分项计算模块不会出现电压误差的累加，测算的积分项是恒流模式下的电流误差积分；有效避免了现有技术中存在的电压、电流过冲现象的发生。本发明切换反应快、动态特性好，频率带宽高。
具体实施中，
当采样周期的电压环比例项小于所述采样周期的电流环比例项时，积分项计算模块5将电压误差赋予共用积分项的积分因子，再根据积分因子及双闭环PID控制模块1的电压环积分系数计算共用积分项的值；输出模块6测算双闭环PID控制模块1所述采样周期的电压环的调节量输出通过PWM控制DC/DC电源。
当采样周期的电压环比例项大于所述采样周期的电流环比例项时，积分项计算模块5将电流误差赋予共用积分项的积分因子，再根据积分因子及双闭环PID控制模块1的电流环积分系数计算共用积分项的值；输出模块6测算双闭环PID控制模块1所述采样周期的电流环的调节量输出通过PWM控制DC/DC电源。
为了进一步完善和提高本发明的控制精度，具体实施中还包括输出电压采样模块7、输出电流采样模块8。输出电压采样模块7一端与PWM数字开关电源9的输出端连接，输出电压采样模块7采集PWM数字开关电源9采样周期的输出电压传输给误差模块2。
输出电流采样模块8一端与PWM数字开关电源9输出端连接，输出电流采样模块8采集PWM数字开关电源9同一采样周期的输出电流传输给误差模块2。
还包括目标电压电流模块10，用于设定、存储PWM数字开关电源9目标输出的电压值、电流值，并将电压值、电流值传输给双闭环PID控制模块1。
还包括PID系数赋值模块11，用于分别计算、存储电压环的电压环比例系数、电压环积分系数、电压环微分系数，和电流环的电流环比例系数、电流环积分系数、电流环微分系数；并将所述电压环的电压环比例系数、电压环积分系数、电压环微分系数，电流环的电流环比例系数、电流环积分系数、电流环积分系数传输给比例项计算模块3、积分项计算模块5、微分项计算模块4。
具体实施中，如附图2所示，通过电压电流模块10设定PWM数字开关电源9的目标电压U和目标电流I。通过PID系数赋值模块11计算电压环PID的电压环比例系数Kpu、电压环积分系数Kiu和电压环微分系数Kdu，以及电流环PID的电流环比例系数Kpi、电流环积分系数Kii和电流环微分系数Kdi。在通过输出电压采样模块7采集PWM数字开关电源9的输出电压u(k)，通过输出电流采样模块8采集PWM数字开关电源9的输出电流i(k)。
误差模块2根据电压电流模块10设定PWM数字开关电源9的目标电压U和目标电流I，以及输出电压采样模块7提供的输出电压u(k)和电流采样模块8提供的输出电流i(k)，分别计算电压误差和电流误差。
电压误差：eu(k)＝U-u(k)；
电流误差：ei(k)＝I-i(k)；
微分项计算模块4根据误差模块2提供的采样周期的电压误差eu(k)和电流误差ei(k)，和上一采样周期的电压误差eu(k-1)和电流误差ei(k-1)，以及PID系数赋值模块11的电压环PID的微分系数Kdu，以及电流环PID微分系数Kdi；分别计算出电压环的微分项和电流环的微分项。
电压环微分项：Du(k)＝(eu(k)-eu(k-1))×Kdu
电流环微分项：Di(k)＝(ei(k)-ei(k-1))×Kdi
比例项计算模块3根据误差模块2提供的采样周期的电压误差eu(k)和电流误差ei(k)，以及PID系数赋值模块11的电压环PID的比例系数Kpu，以及电流环PID的比例系数Kpi；分别计算电压环比例项和电流环比例项。
电压环比例项：Pu(k)＝eu(K)×Kpu；
电流环比例项：Pi(k)＝ei(K)×Kpi；
积分项计算模块5根据比例项计算模块3计算出来的电压环比例项Pu(k)和电流环比例项Pi(k)值的大小，计算采样周期的共用积分项。
当Pu(k)＜Pi(k)时，积分项计算模块5根据PID系数赋值模块11的电压环PID的积分系数Kiu和误差模块2提供的电压误差eu(k)，计算共用积分项。
共用积分项：I(k)＝I(k-1)+eu(k)×kiu
同时，输出模块6根据比例项计算模块3提供的电压环比例项Pu(k)、积分项计算模块5提供的共用积分项I(k)和微分项计算模块4提供的电压环微分项Du(k)计算双闭环PID控制模块1的输出△P(k)。
△P(k)＝Pu(k)+I(k)+Du(k)
当Pu(k)＞Pi(k)时，积分项计算模块5根据PID系数赋值模块11的电流环PID积分系数Kii，以及误差模块2提供的电流误差ei(k)；计算共用积分项。
共用积分项：I(k)＝I(k-1)+ei(k)×kii
同时，输出模块6根据比例项计算模块3提供的电流环比例项Pi(k)、积分项计算模块5提供的共用积分项I(k)和微分项计算模块4提供的电流环微分项Di(k)计算双闭环PID控制模块1的输出△P(k)。通过ΔP(k)控制占空比，实现对双闭环PID控制模块1的闭环控制。
本发明通过积分项计算模块5实现双闭环PID控制模块1在采样周期的电压环、电流环合并积分项的控制方式，有效避免了输出电压、电流的过冲；采用不同的比例、积分及微分系数，能够调整系统的环路特性。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，其特征在于，包括双闭环PID控制模块，所述双闭环PID控制模块包括误差模块、比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块、输出模块；
所述误差模块分别与比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块连接，用于分别测算每个采样周期的电压测量值与电压目标值之间的电压误差、电流测量值与电流目标值之间的电流误差，并将电压误差、电流误差分别传输给比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块；
所述比例项计算模块用于根据双闭环PID控制模块所述采样周期的电压环比例系数和电压误差测算双闭环PID控制模块的电压环比例项；根据双闭环PID控制模块所述采样周期的电流环比例系数和电流误差测算双闭环PID控制模块的电流环比例项；
所述微分项计算模块用于根据双闭环PID控制模块的所述采样周期的电压误差、上一采样周期的电压误差、和电压环微分系数测算双闭环PID控制模块的电压环微分项，根据双闭环PID控制模块的所述采样周期的电流误差、上一采样周期的电流误差、和电流环微分系数测算双闭环PID控制模块的电流环微分项；
所述积分项计算模块用于根据比例项计算模块测算出来的所述采样周期的电压环比例项与电流环比例项的大小，对共用积分项的积分因子进行赋值，并根据积分因子及双闭环PID控制模块的电压环积分系数或电流环积分系数计算共用积分项的值；
所述输出模块分别与比例项计算模块、微分项计算模块、积分项计算模块连接，根据比例项计算模块测算出来的双闭环PID控制模块的所述采样周期的电流环比例项或电压环比例项，测算双闭环PID控制模块电压环或电流环的调节量输出，通过PWM控制DC/DC电源。
2.根据权利要求1所述的PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，其特征在于，当采样周期的电压环比例项小于所述采样周期的电流环比例项时，积分项计算模块将电压误差赋予共用积分项的积分因子，再根据积分因子及双闭环PID控制模块的电压环积分系数计算共用积分项的值；输出模块测算双闭环PID控制模块所述采样周期的电压环的调节量输出通过PWM控制DC/DC电源。
3.根据权利要求1所述的PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，其特征在于，当采样周期的电压环比例项大于所述采样周期的电流环比例项时，积分项计算模块将电流误差赋予共用积分项的积分因子，再根据积分因子及双闭环PID控制模块的电流环积分系数计算共用积分项的值；输出模块测算双闭环PID控制模块所述采样周期的电流环的调节量输出通过PWM控制DC/DC电源。
4.根据权利要求2或3所述的PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，其特征在于，还包括输出电压采样模块、输出电流采样模块，所述输出电压采样模块一端与PWM数字开关电源输出端连接，输出电压采样模块采集PWM数字开关电源所述采样周期的输出电压传输给误差模块；所述输出电流采样模块一端与PWM数字开关电源输出端连接，输出电流采样模块采集PWM数字开关电源所述采样周期的输出电流传输给误差模块。
5.根据权利要求4所述的PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，其特征在于，还包括目标电压电流模块，用于设定、存储PWM数字开关电源目标输出的电压值、电流值，并将所述电压值、电流值传输给误差模块。
6.根据权利要求5所述的PWM数字电源的共用积分项PID双闭环控制器，其特征在于，还包括PID系数赋值模块，用于分别计算、存储电压环的电压环比例系数、电压环积分系数、电压环微分系数，和电流环的电流环比例系数、电流环积分系数、电流环微分系数；并将所述电压环的电压环比例系数、电压环积分系数、电压环微分系数，电流环的电流环比例系数、电流环积分系数、电流环微分系数传输给比例项计算模块、积分项计算模块、微分项计算模块。
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