Buck型数字变换器系统结构

2020-02-12      1110 次浏览

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


模拟pID控制器的传递函数为:


式中:Kp=K(wz1+wz2)/(wz1wz2);Ki=K;Kd=K/(wz1wz2)。


模拟pID控制器的典型频率特性曲线如图3所示。补偿网络可提供一个原点处极点用以消除系统的静态误差,同时提供两个零点可补偿主极点造成的180滞后相移,有效提高系统的相位裕量。


在分析了Buck型变换器及模拟pID控制器典型频率特性的基础上,采用频域补偿设计法配置补偿网络零极点,实现模拟pID控制器的参数整定。


模拟pID控制器零极点配置原则如下:


(1)选择补偿后系统开环传递函数的穿越角频率:


穿越角频率wc一般取1/10~1/5的开关角频率ws处,以在保证系统稳定性的前提下,使输出响应具有良好的动态特性;(2)确定补偿网络两零点角频率:补偿网络的两零点角频率wz1、wz2设计为控制对象主极点角频率wp的1/2左右,以补偿主极点产生的180滞后相移,提高系统的相位裕量;(3)计算补偿网络的增益值:在穿越角频率wc处补偿后系统开环传递的增益为零,即|Gvdm(s)|s=jwc=1/|Gc(s)|s=jwc,据此计算补偿网络增益值K。


按照以上步骤即可完成模拟pID控制器参数(Kp、Ki、Kd)的整定。


图3模拟pID控制器典型频率特性曲线


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