新型试验电源直流降压斩波系统的PID控制仿真研究

【摘 要】为解决小机车新型试验电源直流降压斩波电路中存在的输出电压不稳定、IGBT开关损耗大、系统非线性干扰强等问题，斩波电路部分采用PID控制策略进行PWM脉波输出控制IGBT开关动作和直流降压斩波。本文就PID控制直流降压斩波原理进行了阐述，并采用MATLAB中的simulink进行了电路部分的仿真，分析仿真结果表明，PID控制下的直流降压斩波能够达到预期的目标，更易于整个系统的控制和运行。

【关键词】新型试验电源；直流降压斩波；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

小机车作为矿场运输的主要工具之一，起着非常重要的作用，目前在各种小型矿场应用地很普遍。因此对于小机车的出厂质量检验就变得至关重要了。在路面检测中提供的试验电源的良莠也就从很大程度上决定了检测的效果[1]。新型试验电源采用模糊自适应PID控制结合单片机进行调压器和PWM脉波控制整流电压的方式来完成系统的电压初步控制。但实际过程中还存在另外一个常出现的安全隐患，即IGBT开关进行降压斩波的不稳定性，如果IGBT开关在进行降压斩波中出现电压高低起伏的情况，则可能引起以下几个问题：第一，斩波输出的电压不稳定造成直流电机负载工作不稳定，影响小机车质量检测；第二，IGBT开关工作在不稳定的电压环境中极其容易烧坏，造成经济损失；第三，斩波电压的不稳定会使得整个系统闭环控制中产生的控制参数变化较大，造成整个系统的非线性干扰较大，使得控制精度不准确，从而影响系统前部分模糊自适应PID控制下的初步调压效果，因此造成整个系统的不稳定[2]。针对此类问题，为了保证直流降压斩波输出稳定的电压，本文就PID控制策略在降压斩波中的建模和simulink仿真进行了研究，结果表明输出的电压稳定性大大提高，开关的使用寿命也大大延长，整个系统的稳定性也得到了极大的提高。

1 新型试验电源直流降压斩波电路原理和PID控制技术阐述

1.1 直流降压斩波电路结构及其工作原理

直流斩波技术因其卓越的调节性能和节能效果，得到越来越多的应用。在新型试验电源中就采用了电流连续工作的直流降压斩波技术。工作原理：如图1所示，电路中的开关管K即为开关IGBT，同时还在负载电机前接了一个电解电容C，即当IGBT开关导通时，整流后的电压对电容充电，同时供电给直流电机工作；当IGBT断开时，电容放电保证整个电路系统中电机工作电压的稳定[3]，同时根据电压传感器的作用将采集到的电压与参考电压的比值作为PID控制器的输入。因为小机车与地面之间的线路距离较大，所以电路上的线电阻损耗就等效为电阻RL，M为负载直流电机。新型试验电源要求输出额定电压DC50V，电压的波动范围在DC45V～DC55V，而小机车电机的额定电压为48V；结合要求得知斩波后的电压大约为50V。新型试验电源整流部分的电压大约70V，因此直流降压斩波后的电压应为50V以满足电机的正常运行。

如图1所示，在电机旁的虚线框有Ra、L等效电机，是因为就其对电源来说是感性负载，可以用一个电阻Ra和电感L串联来等效。电机中的电枢电阻为Ra，电枢电感为L。只要控制得当就可以将电机的电压稳定在正常工作电压范围内[4]。

1.2 直流降压斩波电路的数学模型

如图1所示为新型试验电源直流降压斩波电路系统结构图。根据系统的工作状态以及电路在运行过程中的工作原理得出系统的状态方程为：

根据图1中的直流降压斩波系统结构框图，结合PID控制技术可以得出降压斩波系统基于PID控制下的结构框图，如图2所示，其中 u■为整流后输出的电压，本系统取值为70V；u■为直流降压斩波后输出的直流电压，根据系统的工作原理应稳定在50V；二者之间产生的电压差即为PID控制器的控制偏差[6]。

2 系统建模

MATLAB中的SIMULINK工具箱具有强大的功能，里面的专业模块设计对电力电路系统仿真建模具有很大的帮助。本文根据图1和图2的结构原理以及理论分析，进行了simulink仿真模型的搭建[7]。如图3所示，以PID控制直流降压斩波传递函数模块，输出的电压进行PWM脉波控制以此来调节IGBT开关的动作，使得整个直流降压斩波电压输出在稳定值50V，之后再提供给直流电机工作，从而保证了电机工作在稳定的状态。模块中的PID控制模块的K■取值0.8，K■取值0.1，K■取值0.15，既能满足仿真要求也能满足理论支持。模型中的电阻取值为0.134Ω。

3 仿真结果分析

根据电路模型得出仿真结果如图4所示，实线代表的是50V参考电压值，虚线代表PID控制下的直流降压斩波输出电压值。从图4的仿真结果看，系统的超调接近零，PID控制下的电压输出能够快速跟随参考电压值，整个电路系统的调整时间短，反应速度快[8]。也在一定程度上缓解了前面系统调压反应速度慢的问题。根据仿真结果也可以看出系统中的PWM脉波输出在一定程度上帮助了IGBT开关的动作，使其工作在稳定的电压范围，避免开关因为电压不稳定的因素也烧坏，大大降低了开关的损耗。可见在PID控制下的直流降压斩波系统能够提供给新型试验电源一个稳定的电压输出来供负载电机的正常运行。

4 结语

根据PID控制下的直流降压斩波电路在新型试验电源中的实际应用来看，相较于以前的系统，结合了PID控制的新型试验电源的直流降压斩波系统运行得更加稳定，输出的电压值也更稳定，系统的反应速度也更加快。产生IGBT开关烧坏的几率几乎为零。另外就实际的应用来看，负载电机的运行也要稳定很多。所以基于PID控制下的直流降压斩波电路在新型试验电源中的应用是比较成功的。

【参考文献】

[1]程正梅.小机车新型试验电源研制[D].湖南科技大学，2012.

[2]程正梅，郭小定，等.小机车新型试验电源自适应模糊PID控制系统仿真研究[J].计算机工程与应用，2011，47（35）：242-244.

[3]高金源，夏洁.计算机控制系统[M].北京：清华大学出版社，2007.

[4]谢应孝.Buck型DC/DC开关电源的研究[D].哈尔滨：黑龙江大学，2010.

[5]王中鲜.MATLAB建模与仿真应用[M].北京：机械工业出版社，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]张庆，张小勇，等.一种新型的降压斩波器用自整定PID控制器[J].大功率变流技术，2013（2）：24-26.

[8]景利学，苏宏升，等.电压型BUCK变换器控制策略研究[J].电气传动自动化，2011（4）：20-23.

[责任编辑：杨玉洁]