1、导言
跟着DSP等数字信号处理器的呈现，电力电子电路的数字操控得到了很大的开展。数字处理器能够瞬时读取改换器的输出值，并快速地核算出操控值对改换器进行操控。因为数字操控能够选用灵敏的操控战略，一些先进的操控办法使用于电力电子电路成为可能。跟着数字处理器价格不断下降和功能的不断进步，使用数字操控的开关型电力改换设备会日益增多。未来电力电子的开展方向能够用“高频化、数字化、绿色化、模块化”来归纳。
PID操控是最早开展起来的操控战略之一，因为其算法简略、鲁棒性好及可靠性高，被广泛使用于各种操控中，特别合适可树立准确数学模型确实定性体系。但实践的电力电子体系是一个线性和非线性相结合的体系，难以树立准确的数学模型。在实践调试过程中，PID参数往往整定不良、功能欠佳，适应性比较差，长期以来，人们一直在寻求数字PID参数的整定办法。本文依据改换器体系的硬件条件将采样频率调至极限值，进步体系的操控功能，运用极点装备的办法整定PID的份额、积分、微分系数，并经过MATLAB仿真修订这些参数，得到杰出的操控作用。
2、操控目标简介
本文操控的目标为移相全桥零电压开关改换器。主电路如图1所示。这种改换器结合了零电压准谐振技能和传统PWM改换器技能两者的长处，作业频率固定，在换向过程中使用LC谐振使器材零电压开关，在换向完毕后依然选用PWM技能传送能量，开关损耗小、可靠性高，是一种合适于大中功率开关电源的软开关电路。
图1 移相操控的全桥改换器
操控器为Motorola公司DSP芯片56F8323，开关频率为150kHz，选用输出电压单环操控，电压环采样频率为25kHz。电压环中，采样输出电压和核算输出电压差错以及差错改变，完结电压环的PID核算，一起完结过压维护等功能。核算成果作为移相角巨细的依据，完结对改换器的操控。
在这儿，为了树立一个方式简略并且不依赖详细负载类型的DC/DC改换器的数学模型做如下一些假定：
①功率开关管是抱负的器材；
②LC构成低通滤波器；
③高频变压器为抱负变压器；
④考虑开关管的的导通压降、死区效应、线路电阻以及滤波电感的等效串联电阻这些阻尼要素，归纳一个等效电阻为r。
3、两种数字PID操控办法比较
数字操控是一种采样操控，它只能依据采样时刻的差错值核算操控量，因而积分项和微分项需求进行离散化处理。以一系列的采样时刻点kT代表接连时刻t，以求和替代积分，以增量替代微分，能够得到离散的方位式PID表达式：
方位式PID操控算法流程如图2所示。
图2 方位式PID操控算法流程图
图3 增量式PID操控算法流程图
当履行机构需求操控量的增量，由式（1）能够导出增量式的PID操控算法，见式（2）。增量式PID操控算法流程如图3所示。
方位式算法是全量输出，每次的输出都与曩昔的状况有关，核算时要对e（k）进行累加，数字处理器运算量很大。并且，一旦呈现问题，操控器的输出幅值会很大，然后导致履行机构大幅度改变，这种状况应该防止。而增量式算法就不存在这个问题，它是增量输出，不需求对曩昔的状况进行累加，误动作影响小。增量算法也有缺乏，有静态差错。因而，假如精度要求高、动作比较快的场合用方位算法，如本文电力电子改换器的操控；假如履行的时刻比较长，如电机调速操控等，则挑选增量式。本文中为了战胜方位式算法的缺陷，引入抗积分饱满，设置约束规模，防止操控器大幅值的改变。
4、DC/DC改换器数字PID参数整定
4.1采样频率确实定
采样频率在数字操控体系中是一个很重要的参量，从信号保真和操控功能视点看改换器体系的采样频率越高越好。采样频率越高，对硬件要求越高，然后添加硬件的本钱。所以挑选采样周期应该采纳折中的办法挑选最佳的采样周期。
图4 判别程序履行完毕示意图
本文的数字操控器选用的是Freescale公司的MC56F8323芯片，主频到达60MHz。为了在现有的硬件条件下确认改换器体系能到达的最大采样频率，在中止程序开端处使用一个通用输入输出端口加以电平翻转指示信号，不断的进步采样频率，依据翻转信号判别中止程序能否履行完，假如指示信号频率小于采样频率的一半，如图4最终一种状况所示，即阐明实时中止无法在指定时刻内完结，即为现有条件下体系的最大答应采样频率。不同的算法程序，改换器体系能到达的最高采样频率也不一样。
4.2极点装备挑选PID参数
数字操控体系，虽然是一个离散体系，假如采样周期T取值满意小，数字操控体系能够近似看作接连体系，对接连体系操控参数进行离散化后，由数字操控器完结改换器的调理。
依照上面的假定，当改换器的LC输出滤波器的截止频率远远小于开关频率，一起直流母线的输入电压Uin稳定不变的时分，移相全桥改换器除了输出滤波器部分能够看成是一个增益稳定的放大器，这一部分的s域模型如图5所示。
图5 移相全桥主电路s域模型
图5中Uab（s）为副边整流后的电压，Uc（s）代表操控器的输出值。这儿再设定几个量，iL代表电感电流，io代表的是负载电流，为了剖析的便利，io看成是负载的扰动。
考虑移相全桥改换器整流后的输出电压和负载电流的扰动，运用状况空间均匀模型法推导输出滤波器的输出呼应，见式（3）。一起，能够画出方框图如图6所示。
图6 输出滤波器的s域模型
归纳主电路、滤波器和PID操控器模型能够得到体系的框图如图7所示。
图7 PID操控的DC/DC改换器体系框图
依据图7能够得到体系的闭环传递函数，见式（4）。
特征方程式（5）的三个根便是体系传递函数的三个闭环极点。闭环体系的动态呼应功能、稳定性主要由闭环极点在s平面上散布的方位决议。移相全桥DC/DC改换器的闭环体系是三阶体系，归于高阶体系，其动态特性主要由闭环主导极点决议。假如依据改换器操控体系的动态功能指标确认了闭环体系主导极点期望坐落
，其间
、Wr分别为期望的阻尼比和天然频率，那么体系闭环非主导极点能够挑选
，n为正的常数，n的取值越大，则由三个闭环极点确认的三阶体系呼应特性越挨近由闭环主导极点决议的二阶体系，一般n=5~10。由此得到满意动态功能要求所期望的闭环体系特征方程为：
比较式（5）和式（6）能够得到所需参数，该式由极点装备办法得到，所以称为极点装备PID参数公式。
本文的移相全桥DC/DC改换器实践电路的详细参数为：输入Uin=140V~200V，输出U0=24V，输出功率P=220W，输出滤波电感L=20μH，输出滤波电容C=2200μF。以上的模型中，等效电阻r的值很难经过理论剖析估量出来，考虑到kp、ki不受r影响，所以依据经历取r=0.264 。确认期望的阻尼比 和天然频率Wr，依据二阶体系的阶跃呼应曲线能够知道，阻尼比越小，上升时刻短，一起体系的超调量也增大，小到必定程度，体系就会呈现振动。调查 从0~1的阶跃呼应曲线发现，阻尼比在0.4~0.8之间为佳，此刻单位阶跃呼应的快速性和振动性得到统筹。依据很多的工程经历， =0.707为最佳阻尼比，所以本文中的 挑选0.707。Wr的选取依据阻尼比和体系需求的调理时刻来确认，本文Wr选取1600rad/s。依据上述参数得到kp=0.24，ki=1274，kd=0.0000165。
5、仿真与试验成果
本文选用单电压环操控，分别在轻载24W和重载216W时测出稳态的输出电压和输出电流，一起进行24W到216W的突加载试验和216W到24W的突卸载试验。
图8给出在输入电压150V时输出功率为216W时稳态的输出电压电流波形。
图8 稳态电压电流输出波形
图9为输出功率24W到216W突加负载时的输出电压电流波形，突加负载时电压有4.8V的下跌，超调量为20%，调理时刻需求20ms。
图9 Po：24W→216W电压电流输出波形图
图10 Po：216W→24W电压电流输出波形
图10给出在输入电压150V时输出功率216W到24W突卸负载时的输出电压电流波形，突卸负载时电压有2.16V的过冲，超调量为9%，调理时刻需求25ms。
6、定论
试验运转标明，DSP满意方位式的数字PID操控算法的硬件要求，经过测验得到最大采样频率改进体系的操控功能。运用极点装备办法得到的参数满意体系要求，具有杰出的静态特性和动态特性。
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