基于智能控制的可調(diào)開關(guān)電源仿真研究

江蘇省徐州技師學(xué)院　陳　斌

基于智能控制的可調(diào)開關(guān)電源仿真研究

江蘇省徐州技師學(xué)院陳斌

本文設(shè)計(jì)利用MATLAB7.0軟件中的Simulink仿真軟件包及SimPowerSystems電力系統(tǒng)模型庫，對(duì)可調(diào)開關(guān)電源進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)不同控制策略時(shí)的電源性能進(jìn)行對(duì)比分析，并通過仿真波形分析調(diào)整控制器參數(shù)，選擇控制功能優(yōu)良的智能控制可調(diào)開關(guān)電源。

開關(guān)電源；模糊控制；仿真

1　仿真電路

1.1SG3525仿真電源模型

SG3525是開關(guān)電源常用的控制芯片，其性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)，簡(jiǎn)單可靠、使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。個(gè)人認(rèn)為SG3525的反饋輸入是有誤差放大器的，所以應(yīng)該再加上誤差放大器ke，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)誤差放大器的開環(huán)增益典型值為75dB，由知。脈沖發(fā)生器PG2以及相關(guān)邏輯電路是為了將前面產(chǎn)生的一路PWM波分成兩路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)橋路的雙極性控制。所以脈沖發(fā)生器PG2的頻率即是本設(shè)計(jì)電源工作頻率50kHz，而脈沖發(fā)生器PG1的頻率是PG2的兩倍即100 kHz。而后面使用的Mux是為了讓兩路PWM波合成，已滿足Universal Bridge模型的輸入要求，SG3525仿真電源模型如圖1所示。

圖1　SG3525仿真電源模型

E Limits是限制誤差幅值小于三角波幅值以產(chǎn)生死區(qū)。在實(shí)際電路中SG3525的第9腳會(huì)加一個(gè)磁片電容與反饋回路中的電阻構(gòu)成RC濾波，來防止輸出脈寬調(diào)整量劇烈變化，而RC濾波傳函為，所以此處用Transfer Fcn來對(duì)此進(jìn)行仿真。另外，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)通過積分PG1矩形波產(chǎn)生的三角波幅值僅5×10-6V，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三角波幅值太小會(huì)導(dǎo)致輸出PWM波脈寬只有0和最大脈寬兩種情況，無法實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，況且SG3525發(fā)生波形幅值典型值為3.5V，所以加入了7× 105倍的放大器Gain。

1.2數(shù)字PID仿真電源模型

數(shù)字PID采用傳統(tǒng)增量式數(shù)字PID算法，算法輸出到數(shù)字PWM發(fā)生器，數(shù)字PWM部分與SG3525仿真模型類似。電源模型如圖2所示。

由于仿真中數(shù)字濾波算法采用一階滯后濾波，采樣模塊Samp的采樣時(shí)間設(shè)為1e-5，與PWM輸出脈沖的周期相等即可，即每個(gè)開關(guān)周期都進(jìn)行一次控制調(diào)整。后面涉及采樣時(shí)間的模塊都設(shè)為-1，即繼承模塊Samp的采樣時(shí)間。

圖2　數(shù)字PID仿真電源模型

模塊Me、1-Me和Delay3一起構(gòu)成了一階滯后濾波仿真模型，用于對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波減小脈沖尖峰的干擾，其輸出y（k）=me*x（k）+ （1-me）* y（k-1）。

模塊i Limits是為了防止積分量太大，設(shè)置其上限為6e4下限為0。模塊PID Limits是為了限制PID輸出超過數(shù)字PWM的16位計(jì)數(shù)器上限216-1，以保證一定的死區(qū)，設(shè)置其上限為6e4下限為0。

1.3模糊自適應(yīng)PID控制開關(guān)電源

在MATLAB提示符下鍵入“Fuzzy”命令啟動(dòng)FIS編輯器，選模糊推理系統(tǒng)為Mamdani型，對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，選用輸出電壓VO和給定值Vr的誤差e=VO-Vr及其誤差變化率ec兩個(gè)變量作為系統(tǒng)的輸入變量就可以采集到控制所需的基本信息，因此，在FIS編輯器中為該系統(tǒng)添加兩個(gè)輸入變量，命名為e和ec，分別代表電壓偏差和偏差變化率。顯然，系統(tǒng)有三個(gè)輸出變量，在編輯器中將其更名為Kp、Ki、Kd，上面的操作只要利用編輯器菜單工具Edit Add input或output即可完成。當(dāng)然以上這些也可以利用程序來定義。

編輯完成后保存文件FPID.fis到MATLAB安裝目錄下的work文件夾下。最后在Simulink里搭建使用FPID.fis的仿真模型，如圖3所示要成功使用前面建立的FPID.fis文件，還需進(jìn)行相關(guān)必要設(shè)置。雙擊Fuzzy Logic Controller打開其屬性框，在其中輸入FPID，并通過File-＞Model Propertise-＞Callbacks的Model preload function里輸入“FPID=readfis（'FPID.fis'）；”。

圖3　模糊自適應(yīng)PID控制仿真電源模型

2　仿真結(jié)果分析

通過對(duì)以上仿真模型的運(yùn)行可得到以下幾組仿真波形，每組圖片左邊一個(gè)是電源的階躍響應(yīng)波形，右邊一個(gè)是放大后的紋波電壓波形。

圖4　SG3525控制電源仿真輸出電壓波形

從圖4可以看出，用SG3525控制的電源的輸出電壓圍繞著期望不斷的上下波動(dòng)，當(dāng)在0.01s時(shí)負(fù)載由100W變?yōu)?00W后，這種波動(dòng)更加明顯。究其原因，主要是因?yàn)镾G3525控制環(huán)節(jié)僅僅只有比例部分，輸出完全依賴偏差，再加上濾波回路造成的延時(shí)。當(dāng)然，在實(shí)際電路應(yīng)用時(shí)，也可通過反饋的RC濾波引入積分成分，以及在反饋電阻上并聯(lián)電容的辦法引入微分成分，實(shí)際效果會(huì)比這里簡(jiǎn)化后仿真的結(jié)果要好。

圖5　加入一階滯后濾波的數(shù)字PID控制電源仿真輸出電壓波形

最開始仿真數(shù)字PID算法時(shí)，并未對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行任何濾波。用實(shí)驗(yàn)湊試法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，其比例系數(shù)為8，積分系數(shù)為8e-4，微分系數(shù)為10。但其仿真的響應(yīng)曲線紋波較大，特別是在負(fù)載加重后性能嚴(yán)重下降。因此將一階滯后濾波法加入到仿真模型中，再對(duì)PID控制器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，經(jīng)仿真就得到了圖5所示響應(yīng)曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，負(fù)載加重前紋波改善不大，負(fù)載加重部分的改善相當(dāng)明顯。

圖6　模糊自適應(yīng)PID控制電源仿真輸出電壓波形

用模糊自適應(yīng)PID控制主電路進(jìn)行仿真，采用比例系數(shù)為8，比例修正系數(shù)1.6，積分系數(shù)為1e-3，積分修正系數(shù)3e-4，微分系數(shù)為0，微分修正系數(shù)500得到圖6所示的電壓波形。采用模糊自適應(yīng)PID控制器后，對(duì)控制性能影響最大不再是比例、積分和微分三個(gè)參數(shù)的初值而是模糊推理規(guī)則。而且最后的輸出性能也比普通數(shù)字PID算法要好的多，要是采用去極值平均濾波法，進(jìn)一步改善控制規(guī)則及參數(shù)，輸出性能應(yīng)該還會(huì)更好。

3　結(jié)論

開關(guān)電源是一種典型的電力電子與控制技術(shù)相結(jié)合的設(shè)備，其應(yīng)用范圍廣，發(fā)展速度快。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)其控制性能也提出了越來越高的要求，如高控制精度，低紋波系數(shù)，寬范圍輸出等。本文正是以高壓斷路器測(cè)試電源為背景，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和電力電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID控制器，運(yùn)用MATLAB的工具軟件Simulink對(duì)電源主電路配合控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)及修正，仿真結(jié)果表明了該控制器的有效性和良好的性能。

［1］嵇保健.基于DSP的DC/DC變換器數(shù)字控制的研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2007.

［2］劉奇元，羅佑新，何哲明.基于MATLAB的電流變數(shù)控高壓電源仿真［J］.機(jī)電工程，2007（03）.

［3］吳愛萍.基于模糊控制的開關(guān)電源的仿真研究［J］電氣開關(guān)，2004（06）.

陳斌（1980—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，江蘇省徐州技師學(xué)院講師，研究方向：控制工程。