基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法技术

本发明专利技术提出了一种基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法，旨在获取超调量小和调整时间短的数字电源系统，实现步骤为：1)建立数字电源拓扑结构的连续域数学模型；2)绘制连续域数学模型的波特图，对连续域数学模型的波特图中相位裕度比数字电源系统设计标准的相位裕度小的数字电源系统进行补偿；3)采用PID算法，对数字电源系统进行补偿，得到PID补偿器的传递函数；4)对PID补偿器的传递函数进行离散化；5)采用积分分离算法，对PID补偿器的离散化传递函数进行分离，得到积分分离PID补偿器。采用积分分离PID的环路补偿器的数字电源系统，其超调量小且调整时间短，可用于便携式电子产品电源适配器。

Design method of digital power loop compensator based on integral separation PID

The invention provides a method to design a digital power supply loop compensator based on PID integral separation, to obtain a digital power system small overshoot and adjustment time is short, the implementation steps are as follows: 1) the establishment of mathematical model of continuous domain digital power supply topology; 2) graph drawing Potter continuous domain model, compensation on the map of Potter continuous domain mathematical model in the phase margin than the standard design of digital power system phase margin small digital power system; 3) using PID algorithm to compensate the digital power system, the transfer function of PID compensator; 4) discrete transfer function PID compensator; 5) using integral the separation algorithm, the discrete transfer function of the PID compensator were isolated by integral separation PID compensator. A digital power supply system with integral separated PID loop compensator, which has small overshoot and short adjustment time, can be used in portable electronic products power adapter.

【技术实现步骤摘要】
基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法
本专利技术属于电源控制
，涉及一种数字电源环路补偿器的设计方法，具体涉及一种基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法，可用于便携式电子产品电源适配器。
技术介绍
一般电源的控制方式分为模拟控制和数字控制，模拟控制方式的电源称为模拟电源，数字控制方式的电源称为数字电源。随着电源管理类芯片的发展，数字控制的电源设计已经成为当前的设计趋势。数字电源中一般包括输出反馈电路、模数转换器、数字补偿器和脉冲调制电路电路。数字电源系统存在闭环环路，则存在稳定性问题，当数字系统不稳定时，则需要使用补偿器对数字电源系统相位裕度进行补偿，使数字电源系统稳定。补偿器是数字电源的核心部分，其功能是保证整个数字电源系统的稳定。补偿器是比例、积分和微分三种控制方式的组合，也就是PID控制，其中比例控制方式可以提高系统的稳态精度，加快响应速度；微分控制方式可以提高系统的响应速度；积分控制方式可以消除或减小系统的稳态误差，但由于积分是靠对误差的积累来消除稳态误差的，所以会使系统的反应速度降低，导致数字电源调整时间长且超调量大，直接影响整个数字电源输出的稳定和动态性能。传统数字补偿器的设计方法分为直接法和间接法，直接法是直接建立环路的离散域数学模型，绘制数学模型的波特图，通过判断波特图中的相位裕度，确定系统是否需要补偿，如需补偿，则通过在环路中加入PID控制算法，达到系统的相位裕度要求，则可得到基于PID算法的补偿器。间接法与直接法不同之处在于间接法是建立数字电源的连续域数学模型，然后采用PID控制算法对数字电源系统进行补偿，得到连续域补偿器，最后将连续域补偿器数字化得到数字补偿器。间接法采用PID控制算法进行数字系统补偿，当其补偿后的数字电源系统中误差量比较大时，由于PID控制算法中积分控制的作用，会使系统的反应速度变慢，导致数字电源系统的超调量大和调整时间长，针对这一问题，研发人员提出了不同的PID控制算法参数的优化方法，目的在于降低系统的超调量和调整时间，例如授权公告号CN202189240U，名称为“一种参数优化的PID控制装置”的中国专利，公开了一种PID控制器，其采用混沌优化算法对PID控制参数进行优化，虽然可以使系统的超调量和调整时间变小，但其并未从根本上解决当系统的误差量较大时，由于积分作用导致系统输出的超调量大和调整时间变长的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法，旨在获取超调量小和调整时间短的数字电源系统。本专利技术的技术思路：通过建立数字电源系统拓扑结构连续域数学模型，绘制连续域数学模型的波特图，然后根据连续域数学模型波特图中的相位裕度和数字电源系统设计标准的相位裕度的大小，对连续域数学模型波特图中相位裕度比数字电源系统设计标准的相位裕度小的数字电源系统进行补偿，采用PID算法，对数字电源系统的相位裕度进行补偿，得到PID补偿器传递函数，然后在此基础上，将PID补偿器传递函数进行离散化，在离散化的PID补偿器中，引入积分分离算法，得到积分分离PID补偿器。根据上述技术思路，实现本专利技术目的采取的技术方案包括如下步骤：(1)采用状态空间平均法，建立数字电源拓扑结构输出信号与开关管控制信号之间的连续域数学模型Gvd(s)；(2)绘制连续域数学模型Gvd(s)的波特图，比较Gvd(s)的波特图中数字电源系统的相位裕度和数字电源系统设计标准的相位裕度的大小，对Gvd(s)的波特图中相位裕度比数字电源系统设计标准的相位裕度小的数字电源系统进行补偿；(3)根据数字电源系统设计标准的相位裕度，对数字电源系统进行补偿，得到PID补偿器的传递函数Gc(s)：(3a)在SISOTOOL中搭建数字电源系统；(3b)采用PID控制算法，调整数字电源系统的相位裕度，得到PID补偿器的传递函数Gc(s)；(4)对PID补偿器的传递函数Gc(s)进行离散化，得到PID补偿器的离散化传递函数Gc(z)；(5)采用积分分离算法，对PID补偿器的离散化传递函数Gc(z)进行分离，得到积分分离PID补偿器：设定数字电源系统误差量e(k)的阈值δ；根据数字电源系统的实时误差量e(k)与阈值δ的大小，确定数字电源系统补偿器的实时补偿类型，若e(k)≥δ，则数字电源系统实时补偿器为PD补偿器；若e(k)＜δ，则数字电源系统实时补偿器为PID补偿器，由PD补偿器和PID补偿器组成积分分离PID补偿器。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术由于在获取PID数字电源环路补偿器的过程中，在设计了PID补偿器传递函数之后，采用积分分离算法，对PID补偿器传递函数进行分离，当误差量大时，取消PID补偿器的积分作用，采用PD补偿器补偿；误差量小时，采用PID补偿器补偿，最终获得基于积分分离PID补偿器，改善了系统的超调量和调整时间。附图说明图1是本专利技术的实现流程框图；图2是本专利技术的DC/DC拓扑结构示意图；图3是本专利技术的连续域数学模型Gvd(s)的波特图；图4是本专利技术的补偿后的数字电源系统的波特图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步描述。参照图1，本专利技术包括如下步骤：步骤1，采用状态空间平均法，建立数字电源拓扑结构输出信号与开关管控制信号之间的连续域数学模型Gvd(s)，本实施例的数字电源拓扑结构采用DC/DC拓扑结构，实现步骤为：步骤1a，根据DC/DC拓扑结构的工作原理，列写DC/DC拓扑结构状态空间表达式：DC/DC拓扑结构如图2所示，Vin(t)为输入电源，Q1为开关管，D1为二极管，L为电感，C为电容，R为电阻，V(t)为输出电压，d为开关管的控制信号，L＝1uH，C＝47uF，R＝0.6ohm，Vin＝2.7～6V，输出电压1.8V，输出电流3A，开关频率1.5MHz。图2的工作状态如下：工作状态1：当d为高电平时，Q1开启，D1关断，DC/DC拓扑结构工作状态可以用方程式表达为：工作状态2：当d为低电平时，Q1关断，D1开启，输入电源Vin(t)停止为电路供电，此时DC/DC拓扑结构的工作状态可以用方程式表达为：在低频时域中，忽略电路中的纹波影响，工作状态1和工作状态2可以合并为：根据<5>和<6>的表达式，列写出状态空间表达式：步骤1b，对数字电源拓扑结构状态空间表达式<7>进行拉普拉斯变换，得到数字电源拓扑结构输出信号与开关管控制信号之间的连续域数学模型Gvd(s)：将DC/DC拓扑结构的参数代入式<8>，得到连续域数学模型Gvd(s)：步骤2，绘制连续域数学模型Gvd(s)的波特图：使用MATLAB软件绘制连续域数字模型Gvd(s)的波特图如图3所示，图中横轴表示频率，上半图纵轴表示幅值，下半图纵轴表示相位，从图中可以看出数字电源系统的相位裕度为10度，其小于数字电源系统设计标准的相位裕度45度，则进行数字电源系统的补偿；步骤3，根据数字电源系统设计标准的相位裕度，对数字电源系统进行补偿，得到PID补偿器的传递函数Gc(s)：步骤3a，在SISOTOOL中搭建数字电源系统；步骤3b，采用PID控制算法，调整数字电源系统的相位裕度，得到P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用状态空间平均法，建立数字电源拓扑结构输出信号与开关管控制信号之间的连续域数学模型G

【技术特征摘要】
1.一种基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用状态空间平均法，建立数字电源拓扑结构输出信号与开关管控制信号之间的连续域数学模型Gvd(s)；(2)绘制连续域数学模型Gvd(s)的波特图，比较Gvd(s)的波特图中数字电源系统的相位裕度和数字电源系统设计标准的相位裕度的大小，对Gvd(s)的波特图中相位裕度比数字电源系统设计标准的相位裕度小的数字电源系统进行补偿；(3)根据数字电源系统设计标准的相位裕度，对数字电源系统进行补偿，得到PID补偿器的传递函数Gc(s)：(3a)在SISOTOOL工具中搭建数字电源系统；(3b)采用PID控制算法，调整数字电源系统的相位裕度，得到PID补偿器的传递函数Gc(s)；(4)对PID补偿器的传递函数Gc(s)进行离散化，得到PID补偿器的离散化传递函数Gc(z)；(5)采用积分分离算法，对PID补偿器的离散化传递函数Gc(z)进行分离，得到积分分离PID补偿器：设定数字电源系统误差量e(k)的阈值δ；根据数字电源系统的实时误差量e(k)与阈值δ的大小，确定数字电源系统补偿器的实时补偿类型，若e(k)≥δ，则数字电源系统实时补偿器为PD补偿器；若e(k)＜δ，则数字电源系统实时补偿器为PID补偿器，由PD补偿器和PID补偿器组成积分分离PID补偿器。2.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，王松林，尚春平，王江涛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61