反激式开关电源双环PID(电压环+电流环)控制之MATLAB仿真
前面一篇文章我讲解了反激式开关电源输出电压的pid控制的matlab仿真。
《反激式开关电源输出电压PID控制的MATLAB仿真》
该电路只对输出电压做了控制，不管负载多大，只要在设计功率之内，都能把电压维持在12V。但在实际电路设计中，我们还需要考虑输出电流的限定。
因为器件选择都是基于额定值来的，如果实际值超出额定值，轻则无法工作，重则击穿器件，发生炸机。
例如副边的二极管D1，如果流过它的电流超过最大正向电流，则会过热烧坏。
所以输出光有电压的闭环控制(简称电压环)还不行，还得有电流的闭环控制(简称电流环)。
电压环起作用时，输出电压稳定在一个值，输出电流随负载变化。
电流环起作用时，相当于一个恒流源，输出电流稳定在一个值，电压是随负载变化的。
这么看，电压环与电流环似乎是矛盾的。电压环想稳定电压，电流环想稳定电流。
其实并不矛盾，因为他们不会同时起作用。我们来具体分析两个环路的工作状态。
假设现有一个电路，设计为输出电压12V，最大输出电流10A。
然后给他带负载R，R的阻值从大到小变化。
当R无穷大时，相当于空载，此时电压环应将输出电压控制在12v，输出电流为0A。
当R减小到2.4欧，此时电压环仍将输出电压控制在12v，电流为12/2.4=5A，相当于半载。
继续减小到1.2欧，此时电压仍为12V，电流为12/1.2=10A。此时电流已经达到最大设计值了。
如果继续减小R到 1欧，且保持输出电压不变的话，输出电流会达到12/1=12A，超出了设计值。怎么办呢？
此时，就轮到电流环起作用了。
电流环的作用并不是去抬高输出电压来稳定电流，其实是通过拉低输出电压来限制电流。也就是电流环会把输出电压降低，以满足输出电流不大于10A的设定，会拉低到多少呢？计算很简单，R为 1欧时，为满足电流为10A，此时的电压应为10×1=10v。
那么此时电压环呢？为了不让电压环把电压抬高到12v，需将电压环开环，输出由电流环控制。
同样，在电流未达到10A时，电流环开环，不起作用，整个系统由电压环控制。
两个状态的转折点就是负载R=电压环设计值/电流环设计值=12/10=1.2欧，
R>1.2时电压环工作，电流环开环;R<1.2欧时，电流环工作，点压环开环。
输出电压电流与负载R的关系如下：
我们要做的就是设置两个环路，按上面的逻辑来控制占空比。
注意:在模拟电路控制的开关电源中，逻辑与数字控制的稍有不同。模拟电路中，控制MOSFET的PWM波由专门的驱动IC提供，IC有一个FB端口(feedback，即反馈)，其输出的PWM占空比取决于FB端口的电压，一般成线性关系，FB电压越高，输出的占空比越高，且FB在悬空状态下是处于最大电压转态，也就是FB如果悬空，输出的PWM占空比是最大的。
而输出的电压环电流环就是通过拉低FB的电压来实现控制电压电流。可以这么理解，开关电源刚开机时，其占空比是最大的，电压会迅速上升，当达到电压的设计值，电压环会将FB的电压拉低到一定值，以保持输出电压不超过设定值。如果电压环失效，输出电压则会失控过压。当电流达到电流的设计值，电流环则会动作，也将FB电压拉低一定值，以限制输出电流。
不过，PWM驱动IC都会有开环保护，一旦检测到开环(FB电压如果保持在最高电压的时间过长)，就会自动锁死，停止发波。
例如NCP1253是一款用于反激电路的PWM控制器，其引脚定义如下：
其FB的频率与FB端口电压的关系如下：
注：该控制器是保持固定的on时间，通过改变PWM波的off时间，来改变占空比与频率。
该芯片在反激开关电源中的应用实例：
该电路中反馈信号通过光耦传递，在副边是个由基准电压源构成的电压环，这里暂不详细分析原理。
我们回到matlab，电路设计技术指标：
输出电压300V，输出功率120W，输出电压12V，输出电流10A
在simlink中建模如下：
将其分为各个模块：
1.反激电路原边
2.反激电路副边
3.电压PID控制环
4.电流PID控制环
5.模拟动态负载。通过延时控制开关，来控制R2的接通与否，实现负载大小的切换
6.输出电压、电流、功率监控
7.电压环电流环工作状态转换。原理是通过计算负载的总阻值，与1.2进行比较，如果大于1.2，则切换至电压环控制占空比；若小于1.2，则切换至电流环控制。
关于PID参数的调节，我上篇文章已经讲过，这里就不演示了。
对于双环的电路，一般先调电压环。我们先将R2断开（可以先删除或者将线断开），设置R=1.5Ω。
然后将PID电压环的Ki设为0，Kp设为1，然后运行，观察输出电压波形，波形是否流畅，无明显震荡，且在电压升至12V时，是否有过冲，如果有，则调小Kp至波形无振荡且无过冲。
确定Kp之后再设Ki=1，运行仿真后，观察输出电压是否能快速升到12V，如果很慢，则增加Ki值，直到符合要求，如果有过冲，则调小Ki。直到上升既快又不发生过冲。
以下是我的电压环PID参数，可供参考：
电压环PID参数设置完成之后，开始电流环。
调电流环就必须让电压环开路，所以我们需要将电阻R设为小于1.2Ω，这里我设置为0.1Ω。
调节方式与电压环类似。只不过是观察输出电流波形来确定参数是否合适，这里就不演示了。
下面的参数可供参考：
下面是电流环最终的效果
PID的参数调节完成之后，老看看实际的效果。
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1.当R=2.4Ω，输出波形如下：
稳定后，输出电压12V，输出电流5A，输出功率60W，符合要求
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2.当R=1.2Ω，输出波形如下;
稳定后， 输出电压12V，输出电流10A，输出功率120W，符合要求
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3.当R=1Ω，输出波形如下：
稳定后，输出电压10V，输出电流10A，输出功率100W
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4.当R=0.5Ω，输出波形如下：
稳定后，输出电压5V，输出电流10A，输出功率50W 。
再来试试动态负载.R设为4Ω，R2设为4Ω，脉冲发生器设置如下：
也就是0.02s时，负载切换至2Ω，0.45s时切换回4Ω。
运行仿真看看效果：
负载由4Ω切换至2Ω时，电压有略微下降，但是仍保持稳定，输出电压由3A增加到6A；
负载由2欧姆切换回4Ω时，电压有稍微上升，然后稳定，电流降回3A。
再试试电流环的效果，R设为1Ω，R2设为1Ω。
负载从1Ω切换至0.5Ω时，瞬间电流达到20A，这是因为输出电容电压无法突变导致，但是电流很快就恢复到10A。从0.5Ω切换回1A时，电流急剧下降至5A，也是因为输出电容电压无法突变导致，后面电流恢复到10A。
总体来说，效果还是不错的。
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