新型試驗電源直流降壓斬波系統(tǒng)的PID控制仿真研究

【摘 要】為解決小機車新型試驗電源直流降壓斬波電路中存在的輸出電壓不穩(wěn)定、IGBT開關損耗大、系統(tǒng)非線性干擾強等問題，斬波電路部分采用PID控制策略進行PWM脈波輸出控制IGBT開關動作和直流降壓斬波。本文就PID控制直流降壓斬波原理進行了闡述，并采用MATLAB中的simulink進行了電路部分的仿真，分析仿真結果表明，PID控制下的直流降壓斬波能夠達到預期的目標，更易于整個系統(tǒng)的控制和運行。

【關鍵詞】新型試驗電源；直流降壓斬波；PID控制；simulink仿真

【Abstract】To solve the problems with output voltage instability， IGBT switching loss is big， nonlinear interference system is strong in the DC buck chopper circuit of the new test power with small locomotive， in the part of chopping circuit adopts PID control strategy to output PWM pulse for control IGBT switch action and DC buck chopper. In this paper， the principle of PID control DC buck chopper were expounded， and the simulink of MATLAB is used for circuit simulation and analysis of the simulation results， it shows that under the PID control of DC buck chopper is able to achieve the desired goal， and it is easier to control and operation of the whole system.

【Key words】The new test power； DC buck chopper； PID control； Simulink simulation

0 引言

小機車作為礦場運輸?shù)闹饕ぞ咧?，起著非常重要的作用，目前在各種小型礦場應用地很普遍。因此對于小機車的出廠質(zhì)量檢驗就變得至關重要了。在路面檢測中提供的試驗電源的良莠也就從很大程度上決定了檢測的效果[1]。新型試驗電源采用模糊自適應PID控制結合單片機進行調(diào)壓器和PWM脈波控制整流電壓的方式來完成系統(tǒng)的電壓初步控制。但實際過程中還存在另外一個常出現(xiàn)的安全隱患，即IGBT開關進行降壓斬波的不穩(wěn)定性，如果IGBT開關在進行降壓斬波中出現(xiàn)電壓高低起伏的情況，則可能引起以下幾個問題：第一，斬波輸出的電壓不穩(wěn)定造成直流電機負載工作不穩(wěn)定，影響小機車質(zhì)量檢測；第二，IGBT開關工作在不穩(wěn)定的電壓環(huán)境中極其容易燒壞，造成經(jīng)濟損失；第三，斬波電壓的不穩(wěn)定會使得整個系統(tǒng)閉環(huán)控制中產(chǎn)生的控制參數(shù)變化較大，造成整個系統(tǒng)的非線性干擾較大，使得控制精度不準確，從而影響系統(tǒng)前部分模糊自適應PID控制下的初步調(diào)壓效果，因此造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定[2]。針對此類問題，為了保證直流降壓斬波輸出穩(wěn)定的電壓，本文就PID控制策略在降壓斬波中的建模和simulink仿真進行了研究，結果表明輸出的電壓穩(wěn)定性大大提高，開關的使用壽命也大大延長，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了極大的提高。

1 新型試驗電源直流降壓斬波電路原理和PID控制技術闡述

1.1 直流降壓斬波電路結構及其工作原理

直流斬波技術因其卓越的調(diào)節(jié)性能和節(jié)能效果，得到越來越多的應用。在新型試驗電源中就采用了電流連續(xù)工作的直流降壓斬波技術。工作原理：如圖1所示，電路中的開關管K即為開關IGBT，同時還在負載電機前接了一個電解電容C，即當IGBT開關導通時，整流后的電壓對電容充電，同時供電給直流電機工作；當IGBT斷開時，電容放電保證整個電路系統(tǒng)中電機工作電壓的穩(wěn)定[3]，同時根據(jù)電壓傳感器的作用將采集到的電壓與參考電壓的比值作為PID控制器的輸入。因為小機車與地面之間的線路距離較大，所以電路上的線電阻損耗就等效為電阻RL，M為負載直流電機。新型試驗電源要求輸出額定電壓DC50V，電壓的波動范圍在DC45V～DC55V，而小機車電機的額定電壓為48V；結合要求得知斬波后的電壓大約為50V。新型試驗電源整流部分的電壓大約70V，因此直流降壓斬波后的電壓應為50V以滿足電機的正常運行。

如圖1所示，在電機旁的虛線框有Ra、L等效電機，是因為就其對電源來說是感性負載，可以用一個電阻Ra和電感L串聯(lián)來等效。電機中的電樞電阻為Ra，電樞電感為L。只要控制得當就可以將電機的電壓穩(wěn)定在正常工作電壓范圍內(nèi)[4]。

1.2 直流降壓斬波電路的數(shù)學模型

如圖1所示為新型試驗電源直流降壓斬波電路系統(tǒng)結構圖。根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及電路在運行過程中的工作原理得出系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

根據(jù)圖1中的直流降壓斬波系統(tǒng)結構框圖，結合PID控制技術可以得出降壓斬波系統(tǒng)基于PID控制下的結構框圖，如圖2所示，其中 u■為整流后輸出的電壓，本系統(tǒng)取值為70V；u■為直流降壓斬波后輸出的直流電壓，根據(jù)系統(tǒng)的工作原理應穩(wěn)定在50V；二者之間產(chǎn)生的電壓差即為PID控制器的控制偏差[6]。

2 系統(tǒng)建模

MATLAB中的SIMULINK工具箱具有強大的功能，里面的專業(yè)模塊設計對電力電路系統(tǒng)仿真建模具有很大的幫助。本文根據(jù)圖1和圖2的結構原理以及理論分析，進行了simulink仿真模型的搭建[7]。如圖3所示，以PID控制直流降壓斬波傳遞函數(shù)模塊，輸出的電壓進行PWM脈波控制以此來調(diào)節(jié)IGBT開關的動作，使得整個直流降壓斬波電壓輸出在穩(wěn)定值50V，之后再提供給直流電機工作，從而保證了電機工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。模塊中的PID控制模塊的K■取值0.8，K■取值0.1，K■取值0.15，既能滿足仿真要求也能滿足理論支持。模型中的電阻取值為0.134Ω。

3 仿真結果分析

根據(jù)電路模型得出仿真結果如圖4所示，實線代表的是50V參考電壓值，虛線代表PID控制下的直流降壓斬波輸出電壓值。從圖4的仿真結果看，系統(tǒng)的超調(diào)接近零，PID控制下的電壓輸出能夠快速跟隨參考電壓值，整個電路系統(tǒng)的調(diào)整時間短，反應速度快[8]。也在一定程度上緩解了前面系統(tǒng)調(diào)壓反應速度慢的問題。根據(jù)仿真結果也可以看出系統(tǒng)中的PWM脈波輸出在一定程度上幫助了IGBT開關的動作，使其工作在穩(wěn)定的電壓范圍，避免開關因為電壓不穩(wěn)定的因素也燒壞，大大降低了開關的損耗。可見在PID控制下的直流降壓斬波系統(tǒng)能夠提供給新型試驗電源一個穩(wěn)定的電壓輸出來供負載電機的正常運行。

4 結語

根據(jù)PID控制下的直流降壓斬波電路在新型試驗電源中的實際應用來看，相較于以前的系統(tǒng)，結合了PID控制的新型試驗電源的直流降壓斬波系統(tǒng)運行得更加穩(wěn)定，輸出的電壓值也更穩(wěn)定，系統(tǒng)的反應速度也更加快。產(chǎn)生IGBT開關燒壞的幾率幾乎為零。另外就實際的應用來看，負載電機的運行也要穩(wěn)定很多。所以基于PID控制下的直流降壓斬波電路在新型試驗電源中的應用是比較成功的。

【參考文獻】

[1]程正梅.小機車新型試驗電源研制[D].湖南科技大學，2012.

[2]程正梅，郭小定，等.小機車新型試驗電源自適應模糊PID控制系統(tǒng)仿真研究[J].計算機工程與應用，2011，47（35）：242-244.

[3]高金源，夏潔.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]謝應孝.Buck型DC/DC開關電源的研究[D].哈爾濱：黑龍江大學，2010.

[5]王中鮮.MATLAB建模與仿真應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[6]Geng L，Chen Z M，Zhao M L.A novel regulation technique and its application to design SC DC-DC converters[J]. Chinese Journal of Semiconductor， 2004： 25（4）： 372.

[7]張慶，張小勇，等.一種新型的降壓斬波器用自整定PID控制器[J].大功率變流技術，2013（2）：24-26.

[8]景利學，蘇宏升，等.電壓型BUCK變換器控制策略研究[J].電氣傳動自動化，2011（4）：20-23.

[責任編輯：楊玉潔]