基于雙閉環(huán)模糊PID控制器的開(kāi)關(guān)電源控制

電壓調(diào)節(jié)模塊(Voltage Regulator Module，VRM)具有低壓大電流輸出、快速負(fù)載變化響應(yīng)、高輸出穩(wěn)定度等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于CPU等對(duì)供電電源有特殊要求的集成電路芯片的供電。然而隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，晶體管體積迅速減小、單芯片晶體管數(shù)迅速增加。這樣的半導(dǎo)體制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)使得集成電路芯片的供電電壓越來(lái)越低，負(fù)載電流越來(lái)越大，負(fù)載變化速度越來(lái)越快、幅度越來(lái)越大。集成電路芯片這樣的越來(lái)越嚴(yán)酷的供電要求需要VRM的性能有新的提升。同時(shí)性能的提升需要傳統(tǒng)控制方法有新的發(fā)展和變化。

傳統(tǒng)的模擬控制器自Unitrode公司推出UC1842系列以來(lái)便通常采用雙閉環(huán)控制方法。在這種控制器中需要一定的三角波信號(hào)作為峰值電流控制模式，或V2控制模式的控制內(nèi)環(huán)輸入信號(hào)。故在這樣的控制律下一般采用輸出濾波電感的電流紋波或輸出濾波電容的電壓紋波作為控制器內(nèi)環(huán)反饋信號(hào)。但采用輸出濾波電感的電流紋波信號(hào)作為控制器輸入使控制器無(wú)法直接獲得負(fù)載電流信號(hào)。所以該方法在采樣環(huán)節(jié)存在固有的響應(yīng)延遲問(wèn)題。而采用輸出濾波電容的電壓紋波信號(hào)作為控制器反饋輸入信號(hào)雖然可加快負(fù)載變化的反饋速度。但隨著集成電路供電電壓的不斷降低，其對(duì)電源輸出電壓的紋波要求不斷提高，輸出電壓紋波必須越來(lái)越小。從而輸出濾波電容的電壓紋波作為控制器的反饋信號(hào)必然越來(lái)越微弱，信噪比越來(lái)越低，越來(lái)越容易受到外部干擾。所以傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制律存在一定的缺陷，同時(shí)這一缺陷已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)集成電路工業(yè)對(duì)供電需求的發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是一種非常典型的非線(xiàn)性系統(tǒng)，無(wú)法建立精確的模型。于此同時(shí)模糊PID雙閉環(huán)控制器，圖1作為一種優(yōu)秀的線(xiàn)性與非線(xiàn)性控制相結(jié)合的控制方法具有魯棒性強(qiáng)，不需要對(duì)控制對(duì)象準(zhǔn)確建模等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1控制系統(tǒng)框圖

本文基于Buck變換器提出了一種采用輸出電壓、輸出電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制的模糊PID(F-PID)控制方法。并通過(guò)Matlab/Simulink和Cadence PSpice聯(lián)合仿真驗(yàn)證了該新型控制方法具有很好的穩(wěn)定和瞬態(tài)響應(yīng)性能。

1雙閉環(huán)F-PID控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文提出的控制方法直接以負(fù)載電流作為反饋量直接控制控制器的占空比輸出值，從而避免了傳統(tǒng)控制器由于電流采樣點(diǎn)位置而造成的問(wèn)題。

Matlab作為領(lǐng)先的控制算法設(shè)計(jì)仿真工具，特別是其中包含有模糊控制工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)和Simulink設(shè)計(jì)仿真工具。所以本文中采用Matlab作為控制系統(tǒng)的控制器部分的設(shè)計(jì)仿真工具。

本控制器的SimuLink框圖如圖2.其中輸出電壓標(biāo)定后作為外環(huán)的反饋量以穩(wěn)定輸出電壓，輸出電流標(biāo)定后作為內(nèi)環(huán)的反饋量以加快負(fù)載變化響應(yīng)。外環(huán)電壓控制器即AVR采用F-PID控制器而內(nèi)環(huán)電流控制器ACR采用傳統(tǒng)的PID控制器以達(dá)到控制器復(fù)雜度和性能的折中。ACR的輸出經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制后作為Buck變換器MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2控制器模塊

本控制器為了滿(mǎn)足VRM對(duì)于輸出電壓精確度的高要求，遂讓F-PID控制器工作電壓區(qū)間較小以提高輸出電壓精確度。AVR采用F-PID和傳統(tǒng)PID的雙控制器相互切換的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中傳統(tǒng)PID控制器在輸出電壓誤差非常大時(shí)進(jìn)行控制，F(xiàn)-PID控制器在輸出電壓誤差在一定限度內(nèi)時(shí)進(jìn)行控制。F-PID控制器中的模糊控制器采用典型的兩輸入三輸出設(shè)計(jì)，如圖4所示。輸入量分別為電壓誤差E和電壓誤差變化率EC.輸出量分別為傳統(tǒng)PID控制器的KP，KI，KD的調(diào)整系數(shù)KKP，KKI，KKD.這樣可以使模糊控制器自適應(yīng)PID參數(shù)的設(shè)定值，而不用一同調(diào)節(jié)其中參數(shù)。由于直接由變換器輸出電壓進(jìn)行微分得到的直接誤差變化率極易受外部干擾出現(xiàn)很大的尖峰且直接誤差變化率變化范圍非常大達(dá)到正負(fù)1e13以上。所以本課題沒(méi)有采用微分得到的直接誤差變化率作為模糊控制器EC輸入信號(hào)，而是對(duì)其采取了取常用對(duì)數(shù)并保持原來(lái)正負(fù)的方法重新標(biāo)定，如圖5所示。在微分前加入低通濾波器以及在微分后加入一階采樣保持器的方法濾除過(guò)大尖峰的辦法弱化并消除干擾的影響。

圖3 AVR模塊

圖4隸屬度函數(shù)

圖5 EC標(biāo)度模塊

模糊控制器采用Mamdani型。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均為線(xiàn)性，模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中的元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。輸入量的論域?yàn)閇-3，3]，輸出量的論域?yàn)閇0，6].模糊控制的規(guī)則表如圖6所示。[!--empirenews.page--]

ACR采用常規(guī)PID控制器以快速響應(yīng)輸出電流的變化，如圖7所示。PWM調(diào)制時(shí)通過(guò)調(diào)整鋸齒波的大小變化范圍設(shè)置穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出占空比以加快穩(wěn)定。

圖6 KP，KI，KD規(guī)則表

圖7 PWM模塊

2 Buck變換器與控制器的聯(lián)合仿真

Cadence/Pspice是最常用的功率電路仿真環(huán)境之一，且其提供了極為便利的和Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真的接口，即Matlab/Simulink中的SLPS模塊。所以本控制系統(tǒng)中Buck變換的設(shè)計(jì)和仿真在Pspice環(huán)境下進(jìn)行。仿真以14~22 V直流輸入3.3 V/(0~10 A)直流輸出為Buck變換器輸入輸出指標(biāo)，其中Lo=30μH，Co=220μF，如圖8，圖9所示。

圖8 Buck變換器

圖9仿真界面

3仿真結(jié)果

本試驗(yàn)分別在電阻、電流負(fù)載滿(mǎn)載啟動(dòng)并半載到滿(mǎn)載階躍變化以及在各種負(fù)載類(lèi)型下輸入電壓從額定最低值階躍跳變到最大值的情況下進(jìn)行了測(cè)試以檢驗(yàn)控制器的性能，如圖10所示。

由雙閉環(huán)模糊PID控制器控制的Buck變換器在正常運(yùn)行中任何的負(fù)載端或輸入端的變化對(duì)輸出電壓的影響均極為有限。其中當(dāng)輸入端由額定最低輸入電壓躍變至額定最高輸入電壓，即變化57%時(shí)，Buck變換器3.3 V輸出電壓有1%左右的變化;當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)行半載和滿(mǎn)載之間的階躍變化時(shí)3.3 V輸出電壓有