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探討開關(guān)電源PID控制及參數(shù)設(shè)置

  在設(shè)計環(huán)路補償時,如果不清楚被控電路的模型或者沒有bode圖的話一般可以采用PID法來補償。用仿真驗證了一下,PID補償法確實可以很方便的實現(xiàn)補償不過存在幾個疑惑。

1、PID補償只是滿足了穩(wěn)定和動態(tài)響應(yīng),其它特性不能清晰的顯現(xiàn)出來。

2、PID中的微分項D好像并不適合開關(guān)電源控制。

3PI可以用于部分開關(guān)電源控制不過性能達不到最佳。

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yuyuyu5
LV.8
2
2018-07-10 09:03
沙發(fā),,,,,,,,,,,,
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2018-07-10 18:32

以峰值電流模式的反激為例,基本參數(shù):輸入最低電壓100V,初級電感1mH,輸出12V/2A,輸出電容6000uF,開關(guān)頻率60kHz

第一步,將比例P調(diào)成1:1,觀察電源上電啟動波形。

                               圖1-1 只有比例P且P=1時的啟動波形

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2018-07-10 18:45
@boy59
以峰值電流模式的反激為例,基本參數(shù):輸入最低電壓100V,初級電感1mH,輸出12V/2A,輸出電容6000uF,開關(guān)頻率60kHz。第一步,將比例P調(diào)成1:1,觀察電源上電啟動波形。[圖片]                圖1-1只有比例P且P=1時的啟動波形

第二步,增加積分項,從大到小調(diào)節(jié)積分電容,當(dāng)出現(xiàn)欠阻尼震蕩即可。

                              圖1-2 功率級電路穿越頻率判斷

測量欠阻尼震蕩的周期,此時的震蕩頻率約等于功率級電路的穿越頻率。

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2018-07-10 19:04
@boy59
第二步,增加積分項,從大到小調(diào)節(jié)積分電容,當(dāng)出現(xiàn)欠阻尼震蕩即可。[圖片]                圖1-2功率級電路穿越頻率判斷測量欠阻尼震蕩的周期,此時的震蕩頻率約等于功率級電路的穿越頻率。
跟貼學(xué)習(xí)
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2018-07-10 19:07
@boy59
第二步,增加積分項,從大到小調(diào)節(jié)積分電容,當(dāng)出現(xiàn)欠阻尼震蕩即可。[圖片]                圖1-2功率級電路穿越頻率判斷測量欠阻尼震蕩的周期,此時的震蕩頻率約等于功率級電路的穿越頻率。

第三步,上一步推測的功率級電路穿越頻率約為1000/1.8999=526Hz,最終的目標(biāo)穿越頻率設(shè)為8Khz,此時調(diào)制比例系數(shù)P=8000/526=15(斜率有可能是-1-2的組合所以P的取值范圍15~30)。重復(fù)上述第二步調(diào)積分電容使震蕩波形達到滿意狀態(tài)為止。

                                  圖1-3 最終的啟動波形

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2018-07-10 19:09
@boy59
第三步,上一步推測的功率級電路穿越頻率約為1000/1.8999=526Hz,最終的目標(biāo)穿越頻率設(shè)為8Khz,此時調(diào)制比例系數(shù)P=8000/526=15(斜率有可能是-1和-2的組合所以P的取值范圍15~30)。重復(fù)上述第二步調(diào)積分電容使震蕩波形達到滿意狀態(tài)為止。[圖片]                  圖1-3最終的啟動波形

如果有必要可以繼續(xù)調(diào)小積分電容來驗證穿越頻率是否在8Khz附近。

                                    圖1-4 穿越頻率8Khz

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brsys
LV.7
8
2018-07-10 19:10
@boy59
第二步,增加積分項,從大到小調(diào)節(jié)積分電容,當(dāng)出現(xiàn)欠阻尼震蕩即可。[圖片]                圖1-2功率級電路穿越頻率判斷測量欠阻尼震蕩的周期,此時的震蕩頻率約等于功率級電路的穿越頻率。

這個要看看。

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2018-07-12 15:10
@boy59
如果有必要可以繼續(xù)調(diào)小積分電容來驗證穿越頻率是否在8Khz附近。[圖片]                   圖1-4穿越頻率8Khz
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2018-07-12 15:59
好東西
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2018-07-19 22:04

TypeⅡ型要比PI補償多出一個高頻極點,多出的這個極點可以衰減高頻噪聲比如開關(guān)噪聲,見下圖

                                                  2-1 PITypeⅡ?qū)Ρ?/span>

PI補償中由于沒有高頻衰減補償電路的輸出Vcont=Vo*R2/R1所以比例PR2/R1)不能設(shè)置的過高,TypeⅡ型則不用考慮這個問題可以更靈活些,當(dāng)取高頻極點無窮遠時TypeⅡ型就等同于PI補償。

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2018-07-19 22:24
@boy59
TypeⅡ型要比PI補償多出一個高頻極點,多出的這個極點可以衰減高頻噪聲比如開關(guān)噪聲,見下圖[圖片]                          圖2-1PI與TypeⅡ?qū)Ρ萈I補償中由于沒有高頻衰減補償電路的輸出Vcont=△Vo*R2/R1所以比例P(R2/R1)不能設(shè)置的過高,TypeⅡ型則不用考慮這個問題可以更靈活些,當(dāng)取高頻極點無窮遠時TypeⅡ型就等同于PI補償。

PID補償雖然能提供+90度的相位補償?shù)鋾糯蟾哳l噪聲,所以這種補償只適用于大慣性(雙極點)沒有高頻噪聲的場合。在數(shù)字開關(guān)電源控制中用的比較多的是PI型還有2P2ZTypeⅡ)和3P3ZTypeⅢ)等。

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seawalker
LV.3
13
2018-07-20 17:05
@boy59
PID補償雖然能提供+90度的相位補償?shù)鋾糯蟾哳l噪聲,所以這種補償只適用于大慣性(雙極點)沒有高頻噪聲的場合。在數(shù)字開關(guān)電源控制中用的比較多的是PI型還有2P2Z(TypeⅡ)和3P3Z(TypeⅢ)等。
不錯,來支持學(xué)習(xí)
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zhang0326
LV.1
14
2018-07-20 21:27
來占個位置,跟版主大人學(xué)習(xí)一下
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jsapin
LV.5
15
2018-07-21 08:22
@zhang0326
[圖片]來占個位置,跟版主大人學(xué)習(xí)一下
感謝樓主的無私分享!PI調(diào)節(jié)一直不懂,請問比例積分設(shè)定時,開關(guān)電源的開關(guān)頻率和功率級的穿越頻率,以及開關(guān)電源的輸出電容大小和負載特性之間相互有什么關(guān)系,怎樣進行PI參數(shù)的預(yù)計算?
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2018-07-22 09:28
@jsapin
感謝樓主的無私分享!PI調(diào)節(jié)一直不懂,請問比例積分設(shè)定時,開關(guān)電源的開關(guān)頻率和功率級的穿越頻率,以及開關(guān)電源的輸出電容大小和負載特性之間相互有什么關(guān)系,怎樣進行PI參數(shù)的預(yù)計算?

穿越頻率一般要低于1/5開關(guān)頻率。如果是帶光耦隔離的反激,考慮光耦有個8~10KHz的極點反激有個幾十KHz的右半平面零點所以穿越頻率一個不高于8KHz(穿越頻率越低越容易補償)。

輸出電容可以看紋波,如果輸出紋波是100mV那么比例P最好在10倍以內(nèi)。

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jsapin
LV.5
17
2018-07-22 17:17
@boy59
穿越頻率一般要低于1/5開關(guān)頻率。如果是帶光耦隔離的反激,考慮光耦有個8~10KHz的極點反激有個幾十KHz的右半平面零點所以穿越頻率一個不高于8KHz(穿越頻率越低越容易補償)。輸出電容可以看紋波,如果輸出紋波是100mV那么比例P最好在10倍以內(nèi)。
感謝大師,
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2018-07-23 11:16

采用上面的方法想要得到最佳參數(shù)并不太容易,所以最好還是要找出功率級電路的bode圖。

在不使用環(huán)路分析儀的前提下嘗試采用一種特殊的環(huán)路補償電路來反算功率級bode圖的方法。

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2018-07-23 11:28
@boy59
采用上面的方法想要得到最佳參數(shù)并不太容易,所以最好還是要找出功率級電路的bode圖。在不使用環(huán)路分析儀的前提下嘗試采用一種特殊的環(huán)路補償電路來反算功率級bode圖的方法。

根據(jù)之前的實驗現(xiàn)象,當(dāng)電路發(fā)生震蕩或者欠阻尼震蕩時可以通過震蕩周期和次數(shù)來判斷出當(dāng)前的穿越頻率和相位余量,通過不斷調(diào)整穿越頻率點并結(jié)合當(dāng)前已知的補償參數(shù)就可以推算出功率級電路的bode圖。

在實際電路中有很多情況下相位余量是大于90度的甚至接近180度(電流模式的反激),想讓電路在寬頻率范圍內(nèi)都發(fā)生震蕩或欠阻尼震蕩顯然不太容易,所以設(shè)想一個補償環(huán)節(jié)可以使相位從0-180度之間任意變化而增益恒為1。

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2018-07-23 12:30
@boy59
根據(jù)之前的實驗現(xiàn)象,當(dāng)電路發(fā)生震蕩或者欠阻尼震蕩時可以通過震蕩周期和次數(shù)來判斷出當(dāng)前的穿越頻率和相位余量,通過不斷調(diào)整穿越頻率點并結(jié)合當(dāng)前已知的補償參數(shù)就可以推算出功率級電路的bode圖。在實際電路中有很多情況下相位余量是大于90度的甚至接近180度(電流模式的反激),想讓電路在寬頻率范圍內(nèi)都發(fā)生震蕩或欠阻尼震蕩顯然不太容易,所以設(shè)想一個補償環(huán)節(jié)可以使相位從0到-180度之間任意變化而增益恒為1。

右半平面零點后的增益是逆時針旋轉(zhuǎn),左半平面極點后的增益是順時針旋轉(zhuǎn),二者的相位都滯后0-90度,如果右零點、左極點重合則可以實現(xiàn)增益恒定而相位0-180變化的目的,見下圖:

                          2-1 右半平面零點和左半平面極點重合bode

如圖2-1,可以任意改變頻率fpz從而調(diào)整環(huán)路的相位余量而不影響環(huán)路的增益曲線(穿越頻率不變),可以任意改變比例P從而調(diào)整環(huán)路的增益(改變穿越頻率)而不影響環(huán)路的相位曲線。這樣實現(xiàn)了相位和增益的分離使調(diào)試變的容易了。

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2018-07-23 13:39
@boy59
右半平面零點后的增益是逆時針旋轉(zhuǎn),左半平面極點后的增益是順時針旋轉(zhuǎn),二者的相位都滯后0-90度,如果右零點、左極點重合則可以實現(xiàn)增益恒定而相位0-180變化的目的,見下圖:[圖片]              圖2-1右半平面零點和左半平面極點重合bode圖如圖2-1,可以任意改變頻率fpz從而調(diào)整環(huán)路的相位余量而不影響環(huán)路的增益曲線(穿越頻率不變),可以任意改變比例P從而調(diào)整環(huán)路的增益(改變穿越頻率)而不影響環(huán)路的相位曲線。這樣實現(xiàn)了相位和增益的分離使調(diào)試變的容易了。
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2018-07-23 14:03
@boy59
右半平面零點后的增益是逆時針旋轉(zhuǎn),左半平面極點后的增益是順時針旋轉(zhuǎn),二者的相位都滯后0-90度,如果右零點、左極點重合則可以實現(xiàn)增益恒定而相位0-180變化的目的,見下圖:[圖片]              圖2-1右半平面零點和左半平面極點重合bode圖如圖2-1,可以任意改變頻率fpz從而調(diào)整環(huán)路的相位余量而不影響環(huán)路的增益曲線(穿越頻率不變),可以任意改變比例P從而調(diào)整環(huán)路的增益(改變穿越頻率)而不影響環(huán)路的相位曲線。這樣實現(xiàn)了相位和增益的分離使調(diào)試變的容易了。

圖2-1還存在兩個問題,

1、開關(guān)電源的輸出帶有開關(guān)噪聲,如果比例比較大則PWM發(fā)生器會飽和既發(fā)生大信號現(xiàn)象。

2、BoostBuck-boost(反激)類的電路都存在右半平面零點,如果增益比較大則增益曲線不會過零(在開關(guān)頻率內(nèi)),意味著穿越頻率將高于開關(guān)頻率。

                       2-2 右半平面零點限制了增益的提高

鑒于這兩個問題額外增加一個固定的高頻極點環(huán)節(jié),這個高頻極點可取開關(guān)頻率的1/10或者低于功率級電路的右半平面零點。

 

                        2-3 100-100kHz震蕩bode

如圖2-3總的開環(huán)bode圖頻率從100Hz-100kHz電路都可以發(fā)生震蕩具備了反相推導(dǎo)功率級bode圖的條件。

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2018-07-23 14:04
@電源網(wǎng)-fqd
[圖片]

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2018-07-25 07:20
@boy59
圖2-1還存在兩個問題,1、開關(guān)電源的輸出帶有開關(guān)噪聲,如果比例比較大則PWM發(fā)生器會飽和既發(fā)生大信號現(xiàn)象。2、Boost或Buck-boost(反激)類的電路都存在右半平面零點,如果增益比較大則增益曲線不會過零(在開關(guān)頻率內(nèi)),意味著穿越頻率將高于開關(guān)頻率。[圖片]                       圖2-2右半平面零點限制了增益的提高鑒于這兩個問題額外增加一個固定的高頻極點環(huán)節(jié),這個高頻極點可取開關(guān)頻率的1/10或者低于功率級電路的右半平面零點。[圖片]                         圖2-3100-100kHz震蕩bode圖如圖2-3總的開環(huán)bode圖頻率從100Hz-100kHz電路都可以發(fā)生震蕩具備了反相推導(dǎo)功率級bode圖的條件。

Saber軟件對上述推論進行驗證,在驗證過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)高增益時單個高頻極點慮不掉開關(guān)噪聲所以需要設(shè)置雙重極點(雙重極點20kHz,開關(guān)頻率60kHz,右半平面零點30kHz),仿真和計算的結(jié)果對比如下:

                                                  2-4-1 1kHz震蕩

                                                 2-4-2 10kHz震蕩

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2018-07-27 23:10
@boy59
用Saber軟件對上述推論進行驗證,在驗證過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)高增益時單個高頻極點慮不掉開關(guān)噪聲所以需要設(shè)置雙重極點(雙重極點20kHz,開關(guān)頻率60kHz,右半平面零點30kHz),仿真和計算的結(jié)果對比如下:[圖片]                          圖2-4-11kHz震蕩[圖片]                         圖2-4-210kHz震蕩

用這種方法反推功率級bode圖的結(jié)果如下:

 

                     2-4-3 反推反激bode圖及同理論bode圖對比

如圖2-4-3這種反推法增益偏差不大,相位上臨界和阻尼狀態(tài)會有幾十度的偏差。

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2018-07-29 14:02
@boy59
用這種方法反推功率級bode圖的結(jié)果如下:[圖片]                      圖2-4-3反推反激bode圖及同理論bode圖對比如圖2-4-3這種反推法增益偏差不大,相位上臨界和阻尼狀態(tài)會有幾十度的偏差。

在圖2-4-3中低頻段由于發(fā)生了次諧波震蕩導(dǎo)致出現(xiàn)較大偏差,當(dāng)給電路加入斜坡補償后偏差可以消除。

用壓控震蕩VCO作為控制器來搭建LLC電路如下:


                                      2-5-1 VCO控制的LLC電路

輸入:400V,匝比n=1,Lr=72uH,Lm=216uHCr=35nF,輸出電容Co=100uFESR=0.5,輸出電壓200V,輸出負載Ro=138歐姆。壓控振蕩器VCO的頻率變化范圍40kHz-160kHz。

同樣用上述電路來反推LLC得到的bode如下:

                                                2-5-2 LLC功率級電路bode

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2018-07-29 14:14
@boy59
在圖2-4-3中低頻段由于發(fā)生了次諧波震蕩導(dǎo)致出現(xiàn)較大偏差,當(dāng)給電路加入斜坡補償后偏差可以消除。用壓控震蕩VCO作為控制器來搭建LLC電路如下:[圖片]                    圖2-5-1VCO控制的LLC電路輸入:400V,匝比n=1,Lr=72uH,Lm=216uH,Cr=35nF,輸出電容Co=100uF,ESR=0.5,輸出電壓200V,輸出負載Ro=138歐姆。壓控振蕩器VCO的頻率變化范圍40kHz-160kHz。同樣用上述電路來反推LLC得到的bode如下:[圖片]                         圖2-5-2LLC功率級電路bode圖

2-5-2反推的bode圖是否準(zhǔn)確?由于沒有LLC電路的小信號模型就直接采用tdsa掃頻來獲得bode圖并進行對比如下:

                           2-5-3 LLC電路兩種方法獲得的bode圖對比

2-5-3的對比顯示對于LLC電路反推法一樣適用。

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2018-07-29 20:46
@boy59
圖2-5-2反推的bode圖是否準(zhǔn)確?由于沒有LLC電路的小信號模型就直接采用tdsa掃頻來獲得bode圖并進行對比如下:[圖片]               圖2-5-3LLC電路兩種方法獲得的bode圖對比圖2-5-3的對比顯示對于LLC電路反推法一樣適用。

有了功率級bode圖后剩下的補償就容易實現(xiàn)了,采用圖解法設(shè)置目標(biāo)穿越頻率20kHz相位余量45度得出的Type Ⅲ型補償電路各參數(shù)如下:

R1=19.4kHz,R2=423,R3=830,C1=13nF,C2=306nFC3=6.386nF。

動態(tài)波形仿真結(jié)果如下:

                           2-5-4 LLC動態(tài)波形(20kHz穿越頻率,45度相位余量)

2-5-4LLC輸出動態(tài)波形及局部放大圖,在剛上電時為大信號狀態(tài)環(huán)路未起作用,后面當(dāng)環(huán)路起作用后負載的動態(tài)特性較理想(負載138-1380歐姆0.01mS突變)。

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EDSTRNDDF
LV.4
29
2018-08-01 10:50
學(xué)習(xí)了
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2018-08-01 12:32
@boy59
有了功率級bode圖后剩下的補償就容易實現(xiàn)了,采用圖解法設(shè)置目標(biāo)穿越頻率20kHz相位余量45度得出的TypeⅢ型補償電路各參數(shù)如下:R1=19.4kHz,R2=423,R3=830,C1=13nF,C2=306nF,C3=6.386nF。動態(tài)波形仿真結(jié)果如下:[圖片]              圖2-5-4LLC動態(tài)波形(20kHz穿越頻率,45度相位余量)圖2-5-4為LLC輸出動態(tài)波形及局部放大圖,在剛上電時為大信號狀態(tài)環(huán)路未起作用,后面當(dāng)環(huán)路起作用后負載的動態(tài)特性較理想(負載138-1380歐姆0.01mS突變)。
反推bode圖法在實際電路中操作起來是很方便的,首先將特殊的比例+右零點、左極點+固定高頻極點的補償電路接入電路形成閉環(huán),具體操作步驟如下:
1、預(yù)先設(shè)置一個比例P(比如P=0.1)
2、將右零點、左極點從高頻向低頻調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)雙聯(lián)電容),直到輸出電壓出現(xiàn)持續(xù)震蕩為止(欠阻尼震蕩也可,但需額外0-30度的相位補償)
3、記錄下當(dāng)前輸出的震蕩頻率,由比例P和電容大小可算出補償電路的增益|G|和相位θ,可以得出功率級電路的增益為1/|G|、相位-180-θ。
4、改變比例P(相當(dāng)于改變穿越頻率),重復(fù)步驟2、步驟3,直到將目標(biāo)頻段的bode圖的趨勢都描繪出來
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2018-08-04 16:55

數(shù)字PID是通過AD采樣輸出電壓再經(jīng)過芯片的邏輯運算來實現(xiàn)的,在Saber軟件中沒用過MCU類的芯片如果純粹用分立邏輯電路來搭電路會過于龐大,這里采用模擬運算器來模擬數(shù)字信號的處理,電路如下:

                                                3-1 數(shù)字PI電路

上圖采用的是位置式PI算法,從右至左分別是提取變量u,模擬AD采樣過程的“量化”處理,累加實現(xiàn)積分及乘法器實現(xiàn)的比例運算,最后是P+I合成。

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