CN109033697A - 一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统，属于电路控制技术领域，解决了现有技术buck变换器抗干扰能力不强和系统响应速度慢的问题。所述系统，包括电流型单周期控制系统和buck变换器控制系统；所述电流型单周期控制系统，包括buck变换器，用于给所述buck变换器控制系统加入电流反馈，并接收所述buck变换器控制系统的补偿电压uc；buck变换器控制系统，采用PID补偿网络对所述buck变换器进行补偿。实现了buck变换器抗扰动能力的增强和系统响应速度的变快。
Description
技术领域
本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统。
背景技术
近年来科研工作者对buck变换器的控制策略进行了比较深入的分析，buck变换器作为一个恒值系统，抗扰动能力和系统响应的快速性是设计中的重要指标，现实应用中buck变换器的干扰源主要有输入电压扰动和输出负载扰动，要想提高他的抗干扰能力必须从这两方面入手。
有些文献提出采用输入电压前馈的控制方式可抑制输入电压的扰动，但是对负载的扰动抑制能力不强，采用闭环反馈的方式也可以抑制负载扰动，但是降低了系统的响应速度。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统，用以解决现有技术buck变换器抗扰动能力不强和系统响应速度慢的问题。
本发明提供一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统，包括电流型单周期控制系统和buck变换器控制系统；
电流型单周期控制系统，包括buck变换器，用于给所述buck变换器控制系统加入电流反馈，并接收所述buck变换器控制系统的补偿电压uc；
buck变换器控制系统，采用PID补偿网络对所述buck变换器进行补偿。
上述方案有益效果为：通过电流型单周期控制系统给buck变换器控制系统加入电流反馈，并接收所述buck变换器控制系统的补偿电压，buck变换器控制系统，采用PID对所述buck变换器进行补偿；实现了buck变换器抗干扰能力增强和系统系统响应速度加快。
进一步地，上述电流型单周期控制系统还包括可复位积分器INT、比较器CMP、RS触发器FF、驱动器DR；
补偿电压uc接到比较器CMP的反相端，流过所述buck变换器中开关SR的电流信号iSR与所述buck变换器中二极管DF两端的电压信号Kiuab之和接到可复位积分器INT的输入端；
可复位积分器INT的积分输出接CMP的同相端,CMP的输出接到RS触发器FF的复位端,RS触发器FF的置位端接时钟信号CLK，其同相输出端信号经过驱动器DR后得到开关管SR的驱动信号QR,反相输出信号接INT的复位端,给INT复位；
每个周期开始时,CLK使FF置位,开关管SR导通,INT开始对CMP输入信号积分,当其输出达到uc后,CMP的输出使FF复位,SR关断,同时INT复位到零。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述技术方案建立电流型单周期控制系统的电路模型。
进一步地，电流型单周期控制系统是基于输入电压的小信号模型实现的，
所述小信号模型公式为：
其中，D为buck变换器中的功率开关占空比，Uin为buck变换器中的输入电压，uc为补偿电压，IL为buck变换器稳定工作的电感电流，Ki和Ri为常量，分别为D、uc、IL、Uin微分后的变量。
上述进一步技术方案的有益效果为：通上述技术方案建立基于输入电压的小信号模型，该模型是电流型单周期控制系统的实现依据，通小信号模型公式可实现电流型单周期控制策略，通过电流型单周期控制策略，可实现buck变换器抗扰动能力增强和系统响应速度变快。
进一步地，所述buck变换器控制系统中，包括PID补偿网络，所述PID补偿网络的传递函数为
其中，wz，wp，wL为PID补偿网络中3个零极点对应的中、高、低三个频段的角频率，Gcm为PID补偿网络的直流增益；
计算buck变换器控制变量对输出电压的传递函数Gud，将所述Gc(S)与Gud相乘，得到采用PID补偿负载扰动后系统的传递函数Gc。
上述技术方案的有益效果为：通过上述方案可以得到采用PID补偿负载扰动后系统的传递函数Gc。
进一步地，所述基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统还包括buck变换器验证系统；
所述buck变换器验证系统，用于对电流反馈后的buck变换器控制系统参数进行采集和有效性进行验证；
根据所述有效性验证结果，调整所述buck变换器中的功率开关占空比D和所述PID补偿网络的传递函数。
进一步地，所述buck变换器验证系统包括：分压采样调理电路、霍尔传感器、驱动电路、DSP处理器和电压电流调理电路；；分压采样调理电路和霍尔传感器从所述buck变换器中采样电压变量和采样电流变量，采样得到的信号通过电压电流调理电路处理后传输给DSP处理器；
瞬时变化输入电压值，DSP处理器通过采集得到输出电压波动量，验证加入电流反馈后的buck变换器控制系统的有效性；
瞬时变化buck变换器负载，DSP处理器通过采集得到的输出电压波动量，验证加入电流反馈后的buck变换器控制系统的有效性。
上述进一步方案的有益效果为：通过上述方案，验证加入电流反馈后的buck变换器控制系统的有效性。
进一步地，所述采样电压变量包括输入电压变量和输出电压变量，所述采样电流变量包括输入电流变量和输出电流变量，四路变量通过电压电流调理电路处理后送入DSP处理器完成信号的采集过程。
上述进一步方案的有益效果为：通过上述技术方案实现DSP处理器对电压、电流变量的采样。
进一步地，上述DSP处理器通过实现单周期控制策略，通过所述传递函数Gc实现负载扰动的PID反馈控制策略。
进一步地，上述buck变换器验证系统根据输出电压波动量否是超过阈值，调整buck变换器中的功率开关占空比D以及PID补偿网络的传递函数。
上述进一步方案的有益效果为：通过上述方案调整buck变换器中的功率开关占空比D以及PID补偿网络的传递函数，以调整基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统的抗输入电压和抗负载波动能力，使之到达最佳状态。
进一步地，buck变换器验证系统还包括保护电路，所述保护电路分别分压采样调理电路、霍尔传感器和DSP处理器连接，保护电路用于故障保护，通过DSP处理器中的控制开关控制保护电路开通和关断，保障buck变换器验证系统免受故障损坏；所述故障保护包括过压保护，过流保护，欠压保护，温度保护，当有故障发生时，相应故障位被置位导致中断发生，DSP处理器立即发出指令停止发波，同时蜂鸣器报警。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过在buck变换器验证系统中设置保护电路保障buck变换器验证系统免受故障损坏。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统原理图；
图2为电流型单周期控制系统简化原理图；
图3为PID补偿前buck控制器波特图；
图4为PID补偿后buck控制器波特图；
图5为为buck控制器示意图；
图6为基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统仿真模型图；
图7为抗输入电压波动和负载波动buck变换器的仿真图；
图8为基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统的实验验证原理图；
图9为抗输入电压波动的基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统实验验证结果图；
图10为抗负载扰动波动的基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统的实验验证结果图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统。
所述系统包括：电流型单周期控制系统和buck变换器控制系统，其中电流型单周期控制系统，包括buck变换器，用于给buck变换器控制系统加入电流反馈，并接收所述buck变换器控制系统的补偿电压uc，buck变换器控制系统，采用PID对所述buck变换器进行补偿。基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统原理图，如图1所示。
所述buck变换器包括开关管SR、二极管DF、电阻Ri、Ki和负载R和输出滤波电路LC，其中，输出滤波电路LC包括电感L和电容C0；所述二极管DF、电阻Ri、Ki并联，并与位于电阻Ri左侧的开关管SR串联，二极管DF、电阻Ri、Ki与位于电阻Ki右侧的电感L串联之后，与电感C0并联。
所述电流型单周期控制系统还包括可复位积分器INT、比较器CMP、RS触发器FF、驱动器DR；
补偿电压uc接到比较器CMP的反相端，流过述buck变换器中开关管SR的电流信号iSR与buck变换器中二极管DF两端的电压信号Kiuab之和接到可复位积分器INT的输入端；
可复位积分器INT的积分输出接CMP的同相端，CMP的输出接到RS触发器FF的复位端，RS触发器FF的置位端接时钟信号CLK，其同相输出端信号经过驱动器DR后得到开关管SR的驱动信号QR,反相输出信号接INT的复位端,给INT复位；
每个周期开始时，CLK使FF置位，开关管SR导通，INT开始对其输入信号积分,当其输出达到uc后，CMP的输出使FF复位，SR关断，同时INT复位到零。
上述电流型单周期控制系统是基于输入电压的小信号模型实现的，小信号模型的建模过程如下：
取INT(积分器)的积分时间常数Ti与CLK的周期TS(开关周期)相同,即
Ti＝TS (1)
由电流型单周期控制的工作原理可知，当INT的输出达到uc(补偿电压)时，SR(开关管)关断，INT复位，因此
又由于SR导通时
uab＝uin (3)
iSR＝iL (4)
uab为二极管两端电压，iSR为流过开关管SR两端的电流，假设输入电压uin和电感电流iL纹波很小，在一个开关周期Ts内近似不变由式(1)、(2)、(3)、(4)可得
(Kiuin+RiiL)d＝uc (5)
其中d为开关SR的工作占空比。
对式(5)中的相关变量进行小信号扰动，即
uin＝Uin+uin iL＝IL+iL
d＝D+d uC＝UC+uC (6)
将式(6)代入式(5)，并忽略二阶小信号变量，则可以分别得到式(7)和式(8)所示直流稳态和交流小信号特性表达式
(KiUin+RiIL)D＝Uc (7)
(KiUin+RiIL)d+(Kiuin+RiiL)D＝uc (8)
由式(8)可得
由式(9)可得电流型单周期控制控制系统简化原理图，如图2所示。
得到了电流型单周期控制的小信号模型，电流型单周期控制系统就有了实现的理论依据，通过公式(9)即可在下文的DSP处理器中，通过软件编程即可实现电流型单周期控制策略。
所述buck变换器控制系统包括补偿器Gc，检测出的输出电压信号Ku0与参考电压uref比较后得到误差电压ue，再经过补偿器Gc后得到的上述补偿电压uc，buck变换器控制系统建模过程如下：
本发明以基本buck电路为例，其电路图如图5，主要参数如下：
输入电压Uin＝70V，输出电压U0＝30V，电感L＝0.25mH，输出电容为C＝350μF，开关频率为20KHz。
通过建模可知，buck电路控制变量对输出电压的传递函数为
补偿前buck控制器波特图，如图3所示，由图3可知，未补偿的系统幅值裕度为2dB，相角裕度为5度，系统稳定裕量很小，由于相角裕度太小，PI无法全部补偿，故采用PID进行补偿。
本发明改进的思路是在远低于穿越频率处，给补偿网络增加一个零点fz，开环传递函数就会产生足够的超前相移，保证系统有足够的相位裕量。然而增加零点后又会带来新的问题：1.高频段增益下降，斜率由原来的-40db/dec变为-20db/dec。2.相角裕度可能达到80度，过大的相角裕量会对其他动态性能不利，所以为了解决上述问题还需要在大于零点频率附近增加一个极点。此时补偿器为PD控制器，设计出的系统存在稳态误差大的缺点，为了提高精度可以加入倒置零点，构成PID控制器，在这里，引入倒置零点的目的是改善开环传递函数的低频特性，但是又不希望因增加了倒置零点而改变开环传递函数的中，高频段特性，故假设选择倒置零点的频率为穿越频率的十分之一，则有
这样，在比fL大的频率段，增加了倒置零点未改变开环传递的特性，穿越频率仍然为5kHz。所以增加的倒置零点未给相角裕量造成影响。
下面给出补偿网络的传递函数为:
其中，wz，wp，wL为buck系统中高低三个频段的角频率，
确定这些参数如下步骤：
设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率fc是开关频率的四分之一则有
fC＝fS/4＝20/4＝5kHz (13)
设相角裕量Φm＝30°，补偿网络的零极点计算公式为：
wz＝2πfz＝6.28×2890＝18149rad (17)
wp＝2πfp＝6.28×8660＝54385rad (18)
wL＝2πfL＝6.28×500＝3140rad (19)
由以上可得补偿器为：
Gcm根据补偿网络的直流增益进行调整
最后可得补偿网络传递函数为：
通过建模可知，buck电路控制变量对输出电压的传递函数为:
采用PID补偿后系统的传递函数为；
PID补偿后buck控制器波特图，如图4所示，由图4可知，补偿后系统的相角裕度改善很多为41度，低频段的幅值裕度也变为接近-20dB的斜率，可以说采用此种方法设计的PID控制器达到了期望的结果；通过搭建仿真模型进行仿真，仿真模型图如图6所示，得到仿真图，如图7所示，由图7可知，仿真结果和计算一致，证明了控制系统的有效性。
在本发明的另一实施例中，还包括buck变换器验证系统，用于对电流反馈后的buck变换器控制系统参数进行采集和有效性进行验证；根据有效性验证结果，调整所述buck变换器的占空比和所述PID补偿网络的传递函数。
采用该buck变换器验证系统能够得到最佳参数，得到抗输入电压和抗负载效果最佳的控制系统。
基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统的实验验证原理图，如图8所示；buck变换器验证系统包括：分压采样调理电路、霍尔传感器、驱动电路、保护电路、处理器DSP和电压电流调理电路，分压采样调理电路和霍尔传感器从所述buck变换器中采样电压变量和采样电流变量，保护电路与采样电路连接，保护电路将采样得到的信号传输给处理器DSP，通过软件控制开关控制开通和关断，保障系统免受过压过流等故障损坏，保护电路与处理器DSP连接，DSP通过对四路信号进行采样，滤波，然后转换成符合芯片内部格式的数据，芯片内部的10位ADC转换器是通过DSP中的定时器1的下溢中断来触发的，系统对每个信号进行连续两次采样，然后求平均值作为最终的采样值，它通过ADC转换器转换得到的数据再根据码值转换公式进行放大和缩小就得到了我们需要的值，程序中要设置的故障保护有过压保护，过流保护，欠压保护，温度保护等，当有故障发生时，相应故障位被置位导致中断发生，DSP立即发出指令停止发波，同时蜂鸣器报警。
电路中有四种采样变量分别为，输入电压U1，输出电压U2，输入电流I1，输出电流I2，电压变量通过电阻分压法检测，电流变量通过霍尔传感器检测，四路变量通过电压电流调理电路处理后送入DSP完成信号的采集过程，DSP处理器主要完成信号采集，数字运算和滤波，控制策略的实现等功能。通过公式(9)即可在DSP控制器中，通过软件编程即可实现单周期的控制策略，通过公式(20)即可在DSP处理器中，通过软件编程即可实现负载扰动的PID反馈控制策略。
通过采用上述验证系统验证了本发明控制策略的有效性，由图9可知，当输入电压瞬间变化20％时，输出电压瞬时超调量几乎为0，波动小于1.8％，由图10可得，当负载瞬时变化30％时，输出电压波动小于2.5％。如果验证系统采集到的数据超出阈值，对电流型单周期控制系统的buck变换器中的功率开关占空比D以及buck变换器控制系统中的PID补偿网络的传递函数进行调整。
本发明的有益效果为：采用在电流型单周期控制策略，引入与输入扰动相反的变化量来抵消输入侧变化，同时引入输出电流反馈，建立的模型非常简单，易于实现；
对于负载扰动的抑制，需要引入电流反馈的控制策略，常规的PI控制器无法满足要求，最终采用PID控制器对其传递函数做出补偿修正；
本发明采用电流型单周期的控制策略对buck变换器的抗扰动能力进行控制，解决了buck变换器抗输入扰动差和负载扰动能力不强的问题，当输入电压瞬间变化20％时，输出电压超调量几乎为0，瞬时波动小于1.8％，当负载瞬时变化30％时，输出电压瞬时波动小于2.5％。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于buck变换器的抗输入电压和抗负载波动的控制系统，其特征在于，包括电流型单周期控制系统和buck变换器控制系统；
电流型单周期控制系统，包括buck变换器，用于给所述buck变换器控制系统加入电流反馈，并接收所述buck变换器控制系统的补偿电压uc；
buck变换器控制系统，采用PID补偿网络对所述buck变换器进行补偿。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流型单周期控制系统还包括可复位积分器INT、比较器CMP、RS触发器FF、驱动器DR；
补偿电压uc接到比较器CMP的反相端，流过所述buck变换器中开关管SR的电流信号iSR与所述buck变换器中二极管DF两端的电压信号Kiuab之和接到可复位积分器INT的输入端；
可复位积分器INT的积分输出接CMP的同相端，CMP的输出接到RS触发器FF的复位端，RS触发器FF的置位端接时钟信号CLK，其同相输出端信号经过驱动器DR后得到开关管SR的驱动信号QR，反相输出信号接INT的复位端，给INT复位；
每个周期开始时，CLK使FF置位，开关管SR导通，INT开始对CMP输入信号积分,当其输出达到uc后，CMP的输出使FF复位，SR关断，同时INT复位到零。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电流型单周期控制系统是基于输入电压的小信号模型实现的，
所述小信号模型公式为：
其中，D为buck变换器中的功率开关占空比，Uin为buck变换器中的输入电压，uc为补偿电压，IL为buck变换器稳定工作的电感电流，Ki和Ri为常量，分别为D、uc、IL、Uin微分后的变量。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述buck变换器控制系统中，包括PID补偿网络，所述PID补偿网络的传递函数为
其中，wz，wp，wL为PID补偿网络中3个零极点对应的中、高、低三个频段的角频率，Gcm为PID补偿网络的直流增益；
计算buck变换器控制变量对输出电压的传递函数Gud，将所述Gc(S)与Gud相乘，得到采用PID补偿负载扰动后系统的传递函数Gc。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括buck变换器验证系统；
所述buck变换器验证系统，用于对电流反馈后的buck变换器控制系统参数进行采集和有效性进行验证；
根据所述有效性验证结果，调整所述buck变换器中的功率开关占空比D和所述PID补偿网络的传递函数。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述buck变换器验证系统包括：分压采样调理电路、霍尔传感器、驱动电路、DSP处理器和电压电流调理电路；分压采样调理电路和霍尔传感器从所述buck变换器中采样电压变量和采样电流变量，采样得到的信号通过电压电流调理电路处理后传输给DSP处理器；
瞬时变化输入电压值，DSP处理器通过采集得到输出电压波动量，验证加入电流反馈后的buck变换器控制系统的有效性；
瞬时变化buck变换器负载，DSP处理器通过采集得到的输出电压波动量，验证加入电流反馈后的buck变换器控制系统的有效性。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述采样电压变量包括输入电压变量和输出电压变量，所述采样电流变量包括输入电流变量和输出电流变量，四路变量通过电压电流调理电路处理后送入DSP处理器完成信号的采集过程。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述DSP处理器通过
实现单周期控制策略，通过所述传递函数Gc实现负载扰动的PID反馈控制策略。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述buck变换器验证系统根据输出电压波动量否是超过阈值，调整buck变换器中的功率开关占空比D以及PID补偿网络的传递函数。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，buck变换器验证系统还包括保护电路，所述保护电路分别与分压采样调理电路、霍尔传感器和DSP处理器连接，保护电路用于故障保护，通过DSP处理器中的控制开关控制保护电路开通和关断，保障buck变换器验证系统免受故障损坏；所述故障保护包括过压保护，过流保护，欠压保护，温度保护，当有故障发生时，相应故障位被置位导致中断发生，DSP处理器立即发出指令停止发波，同时蜂鸣器报警。
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