基于dsp的開關(guān)電源數(shù)字pid控制方案

基于dsp的開關(guān)電源數(shù)字pid控制方案

0數(shù)字控制在變壓器中的應(yīng)用在開關(guān)系統(tǒng)中，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)較短，易于實(shí)現(xiàn)建模管理，能夠消除因色散元件而導(dǎo)致的不穩(wěn)定和電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。因此,近年來(lái)數(shù)字控制在開關(guān)電源中得到迅速的發(fā)展。隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是DSP芯片技術(shù)的發(fā)展,各種在模擬電路中難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代控制方法也開始應(yīng)用于開關(guān)電源的控制中,使得模擬控制向數(shù)字控制轉(zhuǎn)變。數(shù)字PID控制便在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。1pid控制的基本原理典型PID控制的傳遞函數(shù)如式(1)所示:式中:Kp——比例系數(shù);Ti——積分時(shí)間常數(shù);簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái),PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:比例環(huán)節(jié)(Proportional):及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差。積分環(huán)節(jié)(Integral):主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Tt,Ti越大,積分作用越弱,反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)(Differential):能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率),并能在偏差信號(hào)值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào),從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,減小調(diào)節(jié)時(shí)間。將式(2)經(jīng)過(guò)拉氏變換,并考慮初始值,即可求得時(shí)域內(nèi)理想的模擬PID控制算式,如下:由于DSP控制器根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量,因此式(3)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用,需要做離散化處理。按照模擬PID控制算法的算式(3),現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)代表連續(xù)的時(shí)間,以和式代替積分,以增量代替微分,則可得到離散化的PID表達(dá)式為:un—第n次采樣時(shí)刻的控制器輸出值;en-1——第n-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。數(shù)字PID控制分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法,式(4)所示便是位置式PID算式。由式(4)可得控制器第n-1次的輸出量Un-1為:所示,增量式PID控制算式如下所示:在開關(guān)電源結(jié)構(gòu)中,開關(guān)電源是通過(guò)修改PWM波占空比改變逆變橋中IGBT的通斷時(shí)間從而控制輸出電壓的大小。當(dāng)輸出電壓超過(guò)給定值時(shí),減小PWM波占空比,減小IGBT開通時(shí)間,降低輸出電壓;反之,當(dāng)輸出電壓小于給定值時(shí),則增加PWM波占空比,增加IGBT開通時(shí)間,使輸出電壓升高?？梢?在控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候所關(guān)心的是此次PWM波的占空比需要改變的量,即每次輸出控制量的增量。因此,本系統(tǒng)使用增量式PID控制算法。如圖1所示為開關(guān)電源系統(tǒng)中PID控制的原理圖。2開關(guān)箱的硬件組成本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的基本組成原理框圖如圖2所示,主要由功率主電路、DSP控制回路以及其它輔助電路組成。2.1組成結(jié)構(gòu)及工作原理本開關(guān)電源功率主電路采用“AC-DC-AC-DC”變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器、輸入整流濾波電路、半橋逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成,如圖3所示。其基本工作原理是:交流輸入電壓經(jīng)EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓,通過(guò)逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓,再經(jīng)高頻變壓器隔離變換,輸出所需的高頻交流電壓,最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路,將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。如圖4所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)控制電路的核心采用TMS320LF2407ADSP芯片,它是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的低價(jià)格、高性能定點(diǎn)DSP芯片,該芯片具有豐富的片內(nèi)外設(shè),具有較強(qiáng)的控制性能。TMS320LF2407A芯片具有如下特點(diǎn):1)功耗低,采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;2)處理能力強(qiáng),30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短為33ns,內(nèi)部具有硬件乘法器,可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘加運(yùn)算,具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力。3)片內(nèi)具有32K字的閃爍存儲(chǔ)器(FLASHMEMO-RY),高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,554字的雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM);4)內(nèi)部為數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用作了優(yōu)化設(shè)計(jì):具有10位16通道的A/D轉(zhuǎn)換模塊,最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,可高速地進(jìn)行模擬量采集;多達(dá)12路的比較PWM波形輸出,便于進(jìn)行PWM控制;4個(gè)捕獲單元,可高速地捕捉外部輸入信號(hào)的變化;4個(gè)16位通用目的定時(shí)器(GPTimer),具有6種工作方式;Watchdog定時(shí)器模塊(具有實(shí)時(shí)中斷功能)。5)可以使用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編程,縮短了開發(fā)周期?？刂齐娐凡糠謱?shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng),包括對(duì)開關(guān)電源輸出端電壓、電流和IGBT溫度的檢測(cè),對(duì)收集信息的分析和運(yùn)算處理,對(duì)電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過(guò)程主要是通過(guò)采集開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù),送入DSP芯片進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算,得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù),通過(guò)改變輸出PWM波的占空比,送到逆變橋開關(guān)器件的控制端,從而控制開關(guān)電源的輸出電壓和電流。控制電路主要包括DSP最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路、采樣電路、保護(hù)電路以及鍵盤顯示電路等。如下圖5所示為控制電路的結(jié)構(gòu)框圖:3pid算法的改進(jìn)為了使PID算法更加適合開關(guān)電源系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,在選用增量式PID控制算法的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。3.1機(jī)構(gòu)極限現(xiàn)象積分調(diào)節(jié)有利于消除靜差,但是在過(guò)程啟動(dòng)、結(jié)束、大幅增減設(shè)定值時(shí),短時(shí)間內(nèi)造成積分飽和,致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限,形成超調(diào)量大,震蕩現(xiàn)象。采用積分分離法根據(jù)差值大小判斷是否加進(jìn)積分調(diào)節(jié)。當(dāng)en≥ef時(shí),限制積分作用,采用PID調(diào)節(jié),取較大的Kp和較小的Kd,限制積分作用,使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能,也避免響應(yīng)超調(diào)過(guò)大;當(dāng)en<ei時(shí),引入積分環(huán)節(jié),采用PID調(diào)節(jié),選取適當(dāng)?shù)腒i,減小Kp和Kd,避免系統(tǒng)發(fā)生振蕩。3.2pid控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,偏差是很小的,如果偏差e在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng),控制器對(duì)這樣微小的偏差計(jì)算后,將會(huì)輸出一個(gè)微小的控制量,使輸出的控制值在一個(gè)很小的范圍內(nèi),不斷改變自己的方向,頻繁動(dòng)作,發(fā)生振蕩,這既影響輸出控制器,也會(huì)對(duì)負(fù)載不利。為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁,消除由于頻繁動(dòng)作所引起的系統(tǒng)振蕩,在PID算法的設(shè)計(jì)中設(shè)定了一個(gè)偏差死區(qū)eo,當(dāng)采集到的偏差|en|≤eo時(shí),不改變控制量,使充電過(guò)程能夠穩(wěn)定地進(jìn)行,只有當(dāng)|en|>eo時(shí)才對(duì)輸出控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)。變量pk是提供給PID控制器的值。如果e0太小,兩種方式的轉(zhuǎn)換將很頻繁,導(dǎo)致在穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓的振蕩增加。另一方面,如果e0過(guò)大則系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)大大滯后。在本系統(tǒng)中,由于選用TMS320LF2407A內(nèi)部10位的A/D轉(zhuǎn)換器,電源輸出為220V,所以系統(tǒng)的控制精度為220V/1023≈0.215V。由于輸出偏差要求在±1%的范圍內(nèi),故在設(shè)計(jì)時(shí)選取e0=0.5V。3.3制系統(tǒng)的性能數(shù)字PID控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。而測(cè)量信號(hào)中總是存在一些干擾、噪聲或者畸變,這些因素都影響上述控制算法的精度,從而使整個(gè)控制系統(tǒng)的性能下降。因此,利用數(shù)字濾波技術(shù)能夠有效地對(duì)偏差信號(hào)(測(cè)量信號(hào))中的干擾、噪聲進(jìn)行濾波或者對(duì)其畸變進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,從而提高數(shù)字PID控制算式的精度,改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用數(shù)字平滑濾波技術(shù),即在第n次采樣時(shí)刻連續(xù)采樣8次,可以得到en1,en2,…,en8,然后利用軟件程序剔除其中的最大值和最小值,對(duì)剩余的6次采樣值求平均值,把這個(gè)平均值作為第n次采樣時(shí)刻的偏差信號(hào),代入前面的式(6)進(jìn)行計(jì)算,這樣就能最大程度地消除這類快速隨機(jī)干擾對(duì)控制器輸出的影響。4控制模塊設(shè)計(jì)為了構(gòu)建DSP控制器軟件框架,使程序易于編寫、查錯(cuò)、測(cè)試、維護(hù)、修改、更新和擴(kuò)充,在軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì),將整個(gè)軟件劃分為初始化模塊、ADC信號(hào)采集模塊、PID運(yùn)算處理模塊、PWM波生成模塊、液晶顯示模塊以及按鍵掃描模塊。其中,以PID運(yùn)算處理模塊為核心,各模塊間的聯(lián)系如圖6所示。本系統(tǒng)借助DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能,通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)。由于本系統(tǒng)軟件中采用的是經(jīng)過(guò)改進(jìn)增量式PID算法,整個(gè)數(shù)據(jù)的處理在定時(shí)器T4觸發(fā)的中斷中執(zhí)行,其過(guò)程為:讀采樣寄存器數(shù)據(jù),數(shù)字濾波,判斷偏差值并作相應(yīng)運(yùn)算,得出輸出控制量△u后送入PWM波生成模塊改變其占空比。整個(gè)算法的軟件流程如圖7所示。5試驗(yàn)結(jié)果5.1變壓器的d參數(shù)運(yùn)用MATLAB/simulink對(duì)開關(guān)電源的數(shù)字PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真分析,對(duì)Kp、Ki和Kd參數(shù)的整定提供了參考,也為樣機(jī)的研制提供了依據(jù)。如圖8所示為開關(guān)電源階躍相應(yīng)的仿真圖,其中開關(guān)電源可以看作一個(gè)二階系統(tǒng)。由圖8可以看出,曲線1中參數(shù)Ki偏大Kd偏小導(dǎo)致超調(diào)量過(guò)大;曲線3中Ki偏小,Kd偏大導(dǎo)致響應(yīng)速度慢;而曲線2無(wú)論動(dòng)態(tài)性能還是穩(wěn)態(tài)性能都較好,因此,在樣機(jī)的研制中應(yīng)參照曲線2中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.2試驗(yàn)樣機(jī)輸出波形根據(jù)前述數(shù)字PID控制方案,設(shè)計(jì)了一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī),其主要技術(shù)指標(biāo)為:輸入電壓:三相AC380V±5%輸出電壓:DC220V±1%輸出電流:50A開關(guān)頻率:20kHz所得試驗(yàn)樣機(jī)額定負(fù)載時(shí)的輸出波形如圖9所示。由圖9實(shí)際讀數(shù)可知,輸出電壓從0V上升到220V的響應(yīng)時(shí)間為1s左右,電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度,系統(tǒng)穩(wěn)定后也具有平穩(wěn)的電壓輸出,具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。6td—結(jié)束語(yǔ)開關(guān)電源采用數(shù)字PID控制技術(shù),可以克服模擬PID控制中電路復(fù)雜,調(diào)整困難,可靠性不