应用于Buck型Dc-DC变换器的模糊PID算法的设计

摘要

随着半导体工艺进入深亚微米时代和集成电路设计技术的发展，在高性能、低成本便携式电子产品的应用中，小功率DC-DC开关电源受到越来越多的关注。相比传统的模拟电源，数字控制可以实现更先进的控制策略，提高电源性能。因此，数字控制正成为DC-DC开关电源领域的研究热点。
　　本文的主要内容是给出了一种应用于Buck型DC-DC变换器的模糊自适应PID的数字控制器的设计，研究了模糊控制器（Fuzzy controller）结合数字PID补偿器的设计和实现。该控制器以模糊控制为基础调节比例、积分、微分的参数。本文首先阐述了Buck型DC-DC变换器的工作原理，采用状态空间平均法对变换器主拓扑进行了建模，并且结合了DPWM和A/D模块对系统做了稳定性分析。之后在研究了国内外现有的几种模糊PID控制器的基础上，设计了自适应模糊PID控制器。其次，介绍了模糊PID控制器的基本结构和数字控制模糊PID算法，为了更精确的达到系统的性能要求，着重研究了比例因子设计、隶属函数选择、解模糊方法优化、模糊PID控制规则表的确定等。并且运用Matlab工具对模糊PID补偿器进行了设计和仿真，以及在QuartusⅡ中对整个数字控制器进行了代码实现。
　　在此基础上，本文搭建了数字电源验证平台对所设计的DC-DC变换器进行了FPGA验证。利用该平台对开环和闭环系统分别进行了测试，在输入电压5V、开关频率1MHz的条件下，测试结果验证了模糊PID控制算法的优越性。纹波电压为10mV，峰值电压时间为1.44 ms，建立时间为5.6 ms，负载变化时建立时间为0.1ms，峰值误差为180mV，在负载电流为0.4A的条件下转换效率为80.9％。较好地满足了系统对动静态性能及纹波电压的要求。