專(zhuān)利名稱：一種數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字控制電源(Digital Control Power)的控制系統(tǒng),尤其涉及數(shù)字控制電源的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要是針對(duì)輸入電壓劇烈變化時(shí)，數(shù)字電源控制系統(tǒng)對(duì)輸入電壓的處理。
背景技術(shù)：
隨著單片機(jī)和DSP技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電源應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。數(shù)字電源能夠提供智能化的適應(yīng)性和靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足復(fù)雜的電源要求。此外，電源系統(tǒng)利用單片機(jī)和DSP技術(shù)可以很容易地實(shí)現(xiàn)通信，監(jiān)控，上電時(shí)序控制，各種保護(hù)處理，負(fù)載分配等功能。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，閉環(huán)控制一般采用數(shù)字PID控制，即將實(shí)際輸出電壓Vout與 期望輸出電壓Voset之間的誤差進(jìn)行比例、積分和微分計(jì)算，然后再將這三項(xiàng)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)PWM占空比的控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。常用數(shù)字PID控制的原理如圖I所示。這種控制控制主要是利用輸出電壓與期望輸出電壓之間的誤差作為控制的輸入量，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，需要電源系統(tǒng)具有足夠的相位裕度，幅值裕度以及環(huán)路帶寬來(lái)保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。但是在Boost和Fly back等一些電路中，其傳遞函數(shù)具有右半平面零點(diǎn)(Right Half Plane Zero)，使得控制系統(tǒng)環(huán)路帶寬受限，系統(tǒng)對(duì)誤差信號(hào)的響應(yīng)比較慢，導(dǎo)致電路的動(dòng)態(tài)性能比較差。特別是系統(tǒng)在輸入電壓Vin的快速變化情況下，并且沒(méi)有前饋控制，常用的數(shù)字PID控制很難快速響應(yīng)而改變PWM占空比，致使輸出電壓出現(xiàn)較大的超調(diào)量(Overshoot)，嚴(yán)重的會(huì)觸發(fā)輸出過(guò)壓保護(hù)，導(dǎo)致模塊關(guān)斷，甚至，更嚴(yán)重的還會(huì)損壞后面的貴重電子元件。而目前，無(wú)論是客戶，還是行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)電源模塊的性能提出了更高的要求，需要電源系統(tǒng)能夠在非常惡劣的環(huán)境下都正常工作，例如雷擊導(dǎo)致的輸入電壓突變，或者Surge測(cè)試中的浪涌電壓引起模塊輸入電壓的快速變化。這樣就迫使電源控制系統(tǒng)采用新的處理方式來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有控制技術(shù)存在的上述問(wèn)題，旨在提供一種新的輸入電壓處理方法，將其運(yùn)用于數(shù)字控制電源系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。解決上述問(wèn)題采用的技術(shù)方案是一種數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在PID調(diào)節(jié)控制基礎(chǔ)上，增加了對(duì)輸入電壓的調(diào)節(jié)，并按以下方法進(jìn)行控制當(dāng)控制器采集到的輸入電壓的變化量和實(shí)際的輸出電壓值與設(shè)定的輸出電壓值之間的誤差都超過(guò)其門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)將不再用PID調(diào)節(jié)控制，而是直接利用輸入電壓值和輸出電壓值計(jì)算出所需要的PWM占空比作為控制量輸出；而在其它情況下，系統(tǒng)則采用PID調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)在正常工作情況下，電路的PWM占空比的大小是由輸出電壓與期望電壓之間的誤差經(jīng)過(guò)閉環(huán)PID調(diào)節(jié)計(jì)算得到。但當(dāng)輸入電壓Vin發(fā)生突變時(shí)，由于PID調(diào)節(jié)控制的響應(yīng)速度不夠快，必然會(huì)造成電源系統(tǒng)的輸出電壓Vout過(guò)調(diào)，從而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)輸入電壓和輸出電壓的突變量都超過(guò)門(mén)限值時(shí)，本發(fā)明利用數(shù)字電源控制的靈活性，將閉環(huán)控制由PID控制切換成非線性控制，保證輸出電壓Vout不會(huì)因?yàn)檩斎腚妷篤in突變而出現(xiàn)過(guò)大的過(guò)沖(overshoot)或者負(fù)沖(undershoot)。當(dāng)輸入電壓Vin恢復(fù)正?；蛘呤禽敵鲭妷篤out控制在門(mén)限值以內(nèi)，系統(tǒng)又會(huì)將閉環(huán)控制切換到數(shù)字PID控制。通常，如果利用輸入電壓Vin計(jì)算出PWM占空比D需要運(yùn)用到除法計(jì)算，但大多數(shù)先進(jìn)的微控制器只包含硬件乘法器，卻沒(méi)有專(zhuān)用的除法器。例如目前廣泛應(yīng)用的DSP芯片內(nèi)核中，通常都有可單周期完成的片內(nèi)硬件乘法器，以實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜算法如濾波以及實(shí)時(shí)處理等。本發(fā)明為了提高計(jì)算速度，采用曲線擬合的技術(shù)，將PWM占空比與輸入電壓值和輸出電壓值的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為只有乘法和加減法的等式，充分利用DSP的乘法器去實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)笪
ο 作為本發(fā)明的更進(jìn)一步的改進(jìn)，對(duì)輸入電壓采用以下預(yù)估計(jì)算的方式進(jìn)行修正，以達(dá)到快速改變PWM占空比來(lái)增加系統(tǒng)響應(yīng)速度的目的將所采到的輸入電壓的值加上此次輸入電壓的值與上一次輸入電壓的值的差作為計(jì)算的輸入量。作為本發(fā)明的再進(jìn)一步的改進(jìn)，在數(shù)字PID控制中引入抗飽和技術(shù)，以保證系統(tǒng)切換時(shí)工作的穩(wěn)定性和平滑性。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖I是本是數(shù)字PID控制的原理圖。圖2是本發(fā)明帶預(yù)估計(jì)補(bǔ)償?shù)姆蔷€性控制原理圖。圖3是本發(fā)明的曲線擬合圖。圖4是兩種控制方式的波形圖，其中(a)為現(xiàn)有技術(shù)中僅采用PID控制時(shí)的波形圖，(b)為本發(fā)明非線性控制的波形圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D2，本發(fā)明的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在PID調(diào)節(jié)控制基礎(chǔ)上，增加了對(duì)輸入電壓Vin的調(diào)節(jié)，并按以下方法進(jìn)行控制當(dāng)控制器采集到的輸入電壓的變化量AUin和實(shí)際的輸出電壓值Uout與設(shè)定的輸出電壓值Uoset之間的誤差I(lǐng)Uout-Uoset都超過(guò)其門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)將不再用PID調(diào)節(jié)控制，而是直接利用輸入電壓值Uin和輸出電壓值Uout計(jì)算出所需要的PWM占空比D作為控制量輸出；而在其它情況下，系統(tǒng)則采用PID調(diào)節(jié)控制。本發(fā)明的主要特點(diǎn)如下①非線性控制技術(shù)常用的PID調(diào)節(jié)控制器是一種線性控制器，它是利用系統(tǒng)實(shí)際輸出量y (t)與給定量r(t)之間誤差的時(shí)間函數(shù)e(t) =r(t)-y(t)作比例，積分和微分運(yùn)算組合的線性調(diào)節(jié)，形成控制量u (t)輸出，如式I所示。
, I tde、u(t) = kp 6 + + 式 I
V iJ
而本發(fā)明的控制系統(tǒng)是在常用的PID調(diào)節(jié)控制基礎(chǔ)上，增加了對(duì)輸入電壓Vin的調(diào)節(jié)，即當(dāng)輸入電壓的變化和輸出電壓都超過(guò)其門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)將不再用PID調(diào)節(jié)控制，而是直接利用輸入電壓的值計(jì)算出所需要的PWM占空比。例如在Flay back電路中，PWM占空比與輸入電壓的關(guān)系式如式2所示。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在PID調(diào)節(jié)控制基礎(chǔ)上，增加了對(duì)輸入電壓(Vin)的調(diào)節(jié)，并按以下方法進(jìn)行控制當(dāng)控制器采集到的輸入電壓的變化量(AUin)和實(shí)際的輸出電壓值(Uout)與設(shè)定的輸出電壓值(Uoset)之間的誤差(I Uout-Uoset I)都超過(guò)其門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)將不再用PID調(diào)節(jié)控制，而是直接利用輸入電壓值(Uin)和輸出電壓值(Uout)計(jì)算出所需要的PWM占空比(D)作為控制量輸出；而在其它情況下，系統(tǒng)則采用PID調(diào)節(jié)控制。
2.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于采用曲線擬合技術(shù)將所述的PWM占空比(D)與輸入電壓值(Uin)和輸出電壓值(Uout)的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為只有乘法和加減法的等式。
3.如權(quán)利要求I或2所述的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于對(duì)輸入電壓(Vin)采用以下預(yù)估計(jì)算的方式進(jìn)行修正將所采到的輸入電壓的值加上此次輸入電壓(Vin)的值與上一次輸入電壓(Vin)的值的差作為計(jì)算的輸入量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字電源控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在PID調(diào)節(jié)控制基礎(chǔ)上，增加了對(duì)輸入電壓的調(diào)節(jié)，并按以下方法進(jìn)行控制當(dāng)控制器采集到的輸入電壓的變化量和實(shí)際的輸出電壓值與設(shè)定的輸出電壓值之間的誤差都超過(guò)其門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)將不再用PID調(diào)節(jié)控制，而是直接利用輸入電壓值和輸出電壓值計(jì)算出所需要的PWM占空比作為控制量輸出；而在其它情況下，系統(tǒng)則采用PID調(diào)節(jié)控制。本發(fā)明能夠保證輸出電壓Vout不會(huì)因?yàn)檩斎腚妷篤in突變而出現(xiàn)過(guò)大的過(guò)沖或者負(fù)沖。
文檔編號(hào)H02M3/00GK102946189SQ20111023178
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者孫運(yùn)凱, 葉欣, 蔣先鋒, 周遠(yuǎn)平 申請(qǐng)人:伊博電源(杭州)有限公司