[发明专利]一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及Buck型数字DC/DC开关变换器，尤其涉及一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法。

背景技术

应用于功率电子的数字技术早在很多年前就已经众所周知，但是模拟控制由于它的简单性和低功耗等特点一直占据着DC/DC变换器的市场。随着数字集成电路成本的稳定降低，数字控制重新回到人们的视野。数字控制相比模拟控制在很多方面都存在优势，例如可编程性、更好的噪声免疫以及不易受到时间和外部环境的影响等，因此近十年来，数字控制已经被广泛应用于中低功耗的DC/DC开关变换器中。

在开关变换器的实际应用中，环路控制大部分采用线性的控制方法，这种设计方法比较成熟，设计过程也相对简单，成本低，并且能够实现绝大多数的控制要求。其中，数字PID控制是连续系统中被广泛应用的一种方法，它的算法成熟、结构灵活，可以有效地消除静态误差，但是由于常规的PID算法需要精确的数学模型，而且存在对非线性系统的控制效果不理想，不能根据实际情况在线调整增益参数等缺点，因此，通常在常规的PID上进行多种变形控制，用来提高系统的稳态和瞬态响应。

发明内容

为了克服常规PID的局限和不足，本发明提供了一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法。数字DC/DC变换器作为稳压电源时，一般希望通过改变占空比信号使输出电压拥有快速的瞬态响应和相应的稳态精度，判断瞬态响应好坏的指标通常有两个，一个是超调量，另一个就是恢复时间。对于目前的数字控制系统而言，在一定的条件下，减小恢复时间是关键。所谓恢复时间就是指，当负载或输入电压等外部环境发生变化时，输出电压从发生跳变至再次稳定到规定范围所需要的时间。本发明提出的自适应PID控制方法能够平滑的转变稳态值和动态瞬变值之间的PID参数，有效地避免了振铃和多个过冲或下冲，从而减小变换器的恢复时间。

本发明采用的技术方案如下：一种数字DC/DC变换器的四段式自适应PID控制方法，其特征在于：基于包括比例缩放模块、A/D转换模块、包括自适应控制模块和PID控制模块构成的四段式自适应PID控制模块、数字脉冲宽度调制模块以及驱动模块构成的控制系统，该控制系统与Buck型DC/DC变换器的主拓扑串联构成闭环；当输入电压或负载电流外部环境发生变化时，主拓扑的输出电压会随之出现波动，比例缩放模块通过分压将主拓扑的输出电压放大、缩小或等值处理后由A/D转换模块采样不同周期时刻的主拓扑输出电压后与参考电压进行比较，得到数字化误差信号，自适应控制模块将数字化误差信号的值与阈值电压进行比较，判断出主拓扑的输出电压是处于稳态还是瞬态，以及处于瞬态中的上升态、下降态和过渡态的哪种阶段，根据不同状态分配不同的参数值给PID控制模块，PID控制模块通过K_p、K_i和K_d三个参数计算得到相应的占空比命令信号送至数字脉冲宽度调制模块，再经驱动模块后输出占空比可变的方波信号，用来控制变换器主拓扑中两个互补的MOS开关管的导通和关断时间，从而调节DC/DC变换器的输出电压值；然后再次对主拓扑的输出电压进行A/D转换，重复上述过程进行循环控制直至系统稳定，从而使系统获得更快的瞬态响应；包括以下步骤：

1)在第n个开关周期开始时，对主拓扑模拟输出电压v_out(t)进行采样，通过比例缩放和A/D转换得到数字输出电压v_out(n)；

2)将数字输出电压v_out(n)与参考电压V_ref比较得到误差信号v_error(n)；

3)重复步骤1)和步骤2)两个时钟周期，得到当前时刻误差信号v_error(n)、前一个时刻的误差信号v_error(n-1)和前两个时刻的误差信号v_error(n-2)；