基于双闭环模糊PID控制器的开关电源控制

1、基于双闭环模糊pid控制器的开关电源控制调整模块（voltage regulator module，vrm）具有低压大输出、迅速负载变幻响应、高输出稳定度等特点，主要应用于cpu等对供电电源有特别要求的芯片的供电。然而随着集成技术的快速进展，晶体管体积快速减小、单芯片晶体管数快速增强。这样的创造技术进展趋势已经使得集成电路芯片的供电电压越来越低，负载电流越来越大，负载变幻速度越来越快、幅度越来越大。集成电路芯片这样的越来越严酷的供电要求需要vrm 的性能有新的提升。同时性能的提升需要传统控制办法有新的进展和变幻。传统的模拟控制器自unitrode公司推出uc1842系列以来便通常采纳双闭环控制

2、办法。在这种控制器中需要一定的三角波信号作为峰值电流控制模式，或v2控制模式的控制内环输入信号。故在这样的控制律下普通采纳输出滤波的电流纹波或输出滤波的电压纹波作为控制器内环反馈信号。但采纳输出滤波电感的电流纹波信号作为控制器输入使控制器无法挺直获得负载电流信号。所以该办法在采样环节存在固有的响应延迟问题。而采纳输出滤波电容的电压纹波信号作为控制器反馈输入信号虽然可加快负载变幻的反馈速度。但随着集成电路供电电压的不断降低，其对电源输出电压的纹波要求不断提高，输出电压纹波必需越来越小。从而输出滤波电容的电压纹波作为控制器的反馈信号必定越来越微弱，信噪比越来越低，越来越简单受到外部干扰。所以传统的

3、双闭环控制律存在一定的缺陷，同时这一缺陷已经越来越无法适应集成电路工业对供电需求的进展。是一种十分典型的非线性系统，无法建立精确的模型。于此同时含糊pid双闭环控制器，图1作为一种优秀的线性与非线性控制相结合的控制办法具有鲁棒性强，不需要对控制对象精确建模等优点得到了广泛的应用。图1 控制系统框图本文基于buck变换器提出了一种采纳输出电压、输出电流举行双闭环控制的含糊pid（f-pid）控制办法。并通过matlab/simulink和 pspice联合验证了该新型控制办法具有很好的稳定和瞬态响应性能。1 双闭环f-pid 控制器的设计与实现本文提出的控制办法挺直以负载电流作为反馈量挺直控制控

4、制器的占空比输出值，从而避开了传统控制器因为电流采样点位置而造成的问题。matlab作为率先的控制算法设计仿真工具，特殊是其中包含有含糊控制工具箱（fuzzy logic toolbox）和simulink设计仿真工具。所以本文中采纳matlab作为控制系统的控制器部分的设计仿真工具。本控制器的simulink框图2。其中输出电压标定后作为外环的反馈量以稳定输出电压，输出电流标定后作为内环的反馈量以加快负载变幻响应。外环电压控制器即采纳f-pid控制器而内环电流控制器acr采纳传统的pid控制器以达到控制器复杂度和性能的折中。acr的输出经过调制后作为buck变换器的驱动信号。图2 控制器模块

5、本控制器为了满足vrm对于输出电压精确度的高要求，遂让f-pid控制器工作电压区间较小以提高输出电压精确度。avr采纳f-pid和传统pid的双控制器互相切换的结构，3所示。其中传统pid控制器在输出电压误差十分大时举行控制，f-pid控制器在输出电压误差在一定限度内时举行控制。f-pid控制器中的含糊控制器采纳典型的两输入三输出设计，4所示。输入量分离为电压误差e 和电压误差变幻率ec。输出量分离为传统pid控制器的kp，ki，kd的调节系数kkp，kki，kkd。这样可以使含糊控制器自适应pid参数的设定值，而不用一同调整其中参数。因为挺直由变换器输出电压举行微分得到的挺直误差变幻率极易受

6、外部干扰浮现很大的尖峰且挺直误差变幻率变幻范围十分大达到正负1e13以上。所以本课题没有采纳微分得到的挺直误差变幻率作为含糊控制器ec输入信号，而是对其实行了取常用对数并保持本来正负的办法重新标定，5所示。在微分前加入低通以及在微分后加入一阶采样保持器的办法滤除过大尖峰的方法弱化并消退干扰的影响。图3 avr模块图4 隶属度函数图5 ec标度模块含糊控制器采纳mamdani型。输入输出变量的隶属度函数均为线性，含糊子集为nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb，子集中的元素分离代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。输入量的论域为-3，3，输出量的论域为0，6。含糊控制的规章表6所示。ac

7、r采纳常规pid控制器以迅速响应输出电流的变幻，7所示。pwm调制时通过调节锯齿波的大小变幻范围设置稳态时的输出占空比以加快稳定。图6 kp，ki，kd规章表图7 pwm模块2 buck 变换器与控制器的联合仿真cadence/pspice 是最常用的功率电路仿真环境之一，且其提供了极为方便的和matlab举行联合仿真的接口，即matlab/simulink 中的slps模块。所以本控制系统中buck变换的设计和仿真在pspice环境下举行。仿真以1422 v 直流输入3.3 v/（010 a）直流输出为buck变换器输入输出指标，其中lo=30 h，co=220 f，8，图9所示。图8 buck变换器图9 仿真界面3 仿真结果本实验分离在、电流负载满载启动并半载到满载阶跃变幻以及在各种负载类型下输入电压从额定最低值阶跃跳变到最大值的状况下举行了测试以检验控制器的性能，10所示。由双闭环含糊pid控制器控制的buck变换器在正常运行中任何的负载端或输入端的变