Buck型变换器数字PID控制器设计方法研究

摘要：Buck 型变换器包括Buck 变换器及其衍生的全桥变换器。文中以Buck 型变换器为控制对象，给出了频域补偿设计中模拟PID 控制器的零极点配置原则，实现了其比例、积分、微分系数的整定。在此基础上，运用连续系统离散化方法，最终完成数字PID 控制器的参数设计。MATLAB/SIMULINK仿真结果表明，通过上述方法设计实现的数字PID 控制器能够满足系统的控制要求，输出响应具有良好的静态与动态特性。

　　0 引 言

　　随着数字信号处理技术的日臻完善以及数字处理器价格的不断降低，数字控制在DC/DC 变换器中得到广泛应用。与模拟控制相比，数字控制具有更加优越的控制性能、更加稳定的系统输出，以及易于实现电源系统的智能化管理等诸多优势。

　　数字PID 控制因其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，广泛应用于DC/DC 变换器的数字控制领域。Buck 型变换器包括Buck 变换器及其衍生的全桥变换器。当前，数字PID 参数往往通过试凑法整定，耗时费力，同时控制性能欠佳、适应性较差。长期以来，人们一直在寻求更加有效的数字PID 参数整定方法。

　　1 数字控制Buck 型变换器系统结构

　　数字控制Buck 型变换器的系统框图如图1 所示。反馈控制回路中包含AD 采样器、误差生成器、PID 控制器以及PWM 波形产生器等模块，所有模块均以数字处理芯片作为载体，通过编程方式实现。

图1 数字控制Buck 型变换器系统框图

　　2 数字PID 控制器设计

　　数字系统是离散系统，但如果采样周期足够小，则数字系统可近似于连续系统。采用频域补偿设计方法实现模拟PID 控制器的参数整定，通过连续系统离散化处理，可最终实现数字PID 控制器的参数设计。

　　2 .1 模拟PID 控制器的参数整定

　　连续导电模式(CCM)下，Buck 型变换器控制对象的传递函数为:

　　直流增益:
　　ADC =nUi/Um，UM为PWM 产生器的锯齿波峰峰值;极点角频率：；；品质因数：Ｑ＝Ｒ√C/R。

　　Buck 型变换器的典型频率特性曲线如图2 所示。

　　由频率特性曲线可知:

　　(1)幅频特性的低频段曲线平坦，欲消除闭环系统的稳态误差，补偿网络的设计应至少含有一个积分环节;(2)主极点wp由LC 输出滤波器产生，表现为一个双重极点，产生180°的滞后相移，系统相位裕量偏低。

图2 连续导电模式(CCM)下Buck 型变换器频率特性曲线