如下是同步Buck电压单环控制的原理图,相信大家对这个原理也不陌生了,因为已经采用多次了。我们分别看一下这种控制方式的优缺点。
电压控制模式的优点:
1.PWM三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪性;
2.对于多路输出电源,它们之间的交叉调整率比较好;
3.单一反馈电压闭环设计,调试比较容易。
电压模式缺点:
电压控制模式环路控制中由于不涉及到输入电压的变化,也就是说输入电压并没有直接参与反馈环路的闭环控制,因此,线性调整率不好,输入电压突变时的响应较慢。(什么是线性调整率?它就是反映输入电压的变化导致输出电压的相对变化量)
那么如何对电压控制模式的缺点进行改善?
我们可以对输入电压进行采样,进行一个电压前馈模式控制的PWM技术,改善线性调整率,也就是我们所说的自适应增益控制。它可以提供具有高度灵活性和可扩展性的自适应反馈环路增益调节,让电路在不同输入电压下具有类似的增益曲线,使电路具有更高的稳定性。
其实自适应增益控制的用途很广泛,一般在模拟控制中,零极点的位置由电容电阻的组合来决定。一旦组合值确定,那么它的零极点补偿的位置也决定了。但是在实际应用中,比如VMC的Buck电路,输入电压的变化、温度变化引起输出电容ESR的变化等都会影响实际功率级的增益和相位,还有就是在PFC应用当中,有些磁芯的抗直流偏置的能力比较弱,输入交流电压在过零点和峰值点对应的电感量有很大的差别,根据PFC功率级的传递函数可以看出,整个功率级的增益是跟随输入电压实时变化的。模拟控制往往只能采取一套静态的环路参数(用于补偿的电容电阻基本确定),那么很难保证电源在整个工作范围的稳定可靠工作。这个时候如果采用数字控制,那么可以在算法当中引入根据不同工作条件而调节不同的环路参数,这样就可以保证电源在整个工作范围区间稳定可靠的工作,数字控制的灵活性得到了完美的体现。
在电压控制模式中,那么输入电压使如何影响增益变化的?哪些因素会使增益随输入电压下降?
一般我们认为, 增益的大小可以描述为在一定时间内提供一定功率的能力 ,在低压输入情况下,输入电压越低,电感电流的斜坡越小;增益的大小越小。下面是在不同输入电压下测试的电压环路Bode曲线。
可以看到,总增益电平随着输入电压和负载而变化,其中输入电压占主导地位。在输入电压和负载上,当增益向上/向下移动时相位余量基本保持不变
那么自适应增益需要达到一个什么样的目的呢?
可以通过调制对输入电压变化引起的零极点位置,将补偿不期望的增益变化,使整个开环增益曲线保持类似恒定不变。也就是下面的这种情况:
由于零极点可用于在不改变相位的情况下调整总的增益,所以我们可以在不同的输入电压下实时的去改变零极点的位置,那么我们就可以实现自适应增益的控制。比如输入电压增大,我们可以将左移;输入电压降低,可以将右移。
那么我们改如何引入自适应控制以及如何在dsPIC中实现它呢?
这是一个type3型的超前-滞后补偿器
其中:
由于在dsPIC内部执行的是线性差分方程,我们首先需要将s域的3p3z转化为z域的线性差分方程。一般采用的方法是双线性变换,将s与z的关系式代入type3型的传递函数,即可得到z域的表达式,再将z域表达式转化为线性差分方程。
其中:
这个就是最后得到的线性差分方程,其中有系数A1/A2/A3和B0/B1/B2/B3。观察每个单独系数方程的结果,我们发现由原点处极点的存在引入控制系统的积分器增益仅影响 B 系数,而所有 A 系数保持不变。 此外,由原点处的极点引入的增益的交叉频率仅作为系数方程其余部分的简单因子出现。因此,可以通过在运行期间将调制因子 与所有 B 系数相乘来实现环路增益调制,从而实现有源环路增益调制,有效地将 LDE变为:
可以看到B系数都乘了一个系数,那么这个系数是如何得来的呢?
我们假设电感L恒定,则电流斜率与电感两端的电压成正比,因此,对于不同类型的转换器而言,我们可以通过确定来确定以下斜率.
增益等效值为:
因此增益因子可以描述为:
自适应增益控制实现
上图显示了AGC作为前馈控制器的实现,根据输入电压 的变化调整补偿器 的环路增益。它包括对输入电压的采样、监测器和调试器,系统增益调制应仅响应输入电压的变化,一个输入端口足以补偿功率级增益变化(本例采用这种方式来实现)。 然而,通过这个示意图中将最新的输出电压和负载附加到调制方案中,可以实现更精确的增益变化补偿(本次课程不涉及)。调制器通过在运行时调整原点处的极点增益(积分器增益)的截至频率来增加或减少总反馈环路增益.
增加对输入电压的采样,如下图,然后实时的去调整零极点的位置。
最终实现的电压环测试Bode图如下:
测试数据如下:
谢谢大家收看,本人能力有限,如有不妥,请麻烦指正。