基于dsp的开关电源数字pid控制方案

基于dsp的开关电源数字pid控制方案

0数字控制在变压器中的应用在开关系统中，数字系统的设计相对较短，易于实现建模管理，能够消除因色散元件而导致的不稳定和电磁干扰的优点。因此,近年来数字控制在开关电源中得到迅速的发展。随着芯片技术的不断发展,特别是DSP芯片技术的发展,各种在模拟电路中难以实现的现代控制方法也开始应用于开关电源的控制中,使得模拟控制向数字控制转变。数字PID控制便在这样的背景下应运而生。1pid控制的基本原理典型PID控制的传递函数如式(1)所示:式中:Kp——比例系数;Ti——积分时间常数;简单说来,PID控制器各校正环节的作用如下:比例环节(Proportional):及时成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。积分环节(Integral):主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用强弱取决于积分时间常数Tt,Ti越大,积分作用越弱,反之则越强。微分环节(Differential):能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。将式(2)经过拉氏变换,并考虑初始值,即可求得时域内理想的模拟PID控制算式,如下:由于DSP控制器根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此式(3)中的积分和微分项不能直接使用,需要做离散化处理。按照模拟PID控制算法的算式(3),现以一系列的采样时刻点代表连续的时间,以和式代替积分,以增量代替微分,则可得到离散化的PID表达式为:un—第n次采样时刻的控制器输出值;en-1——第n-1次采样时刻输入的偏差值。数字PID控制分为位置式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次的输出量Un-1为:所示,增量式PID控制算式如下所示:在开关电源结构中,开关电源是通过修改PWM波占空比改变逆变桥中IGBT的通断时间从而控制输出电压的大小。当输出电压超过给定值时,减小PWM波占空比,减小IGBT开通时间,降低输出电压;反之,当输出电压小于给定值时,则增加PWM波占空比,增加IGBT开通时间,使输出电压升高。可见,在控制器进行调节的时候所关心的是此次PWM波的占空比需要改变的量,即每次输出控制量的增量。因此,本系统使用增量式PID控制算法。如图1所示为开关电源系统中PID控制的原理图。2开关箱的硬件组成本文所设计的开关电源的基本组成原理框图如图2所示,主要由功率主电路、DSP控制回路以及其它辅助电路组成。2.1组成结构及工作原理本开关电源功率主电路采用“AC-DC-AC-DC”变换的拓扑结构,主要由输入电网EMI滤波器、输入整流滤波电路、半桥逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路等几部分组成,如图3所示。其基本工作原理是:交流输入电压经EMI滤波、整流滤波后得到直流电压,通过逆变器将直流电压变换成高频交流电压,再经高频变压器隔离变换,输出所需的高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,将高频变压器输出的高频交流电压整流滤波后得到所需要的高质量、高品质的直流电压。如图4所示为交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节电压波形变换流程。2.2控制系统设计特点控制电路的核心采用TMS320LF2407ADSP芯片,它是美国TI公司生产的低价格、高性能定点DSP芯片,该芯片具有丰富的片内外设,具有较强的控制性能。TMS320LF2407A芯片具有如下特点:1)功耗低,采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗;2)处理能力强,30MIPS的执行速度使得指令周期缩短为33ns,内部具有硬件乘法器,可在一个指令周期内完成一次乘加运算,具有较强的运算能力。3)片内具有32K字的闪烁存储器(FLASHMEMO-RY),高达1.5K字的数据/程序RAM,554字的双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM);4)内部为数字控制系统的应用作了优化设计:具有10位16通道的A/D转换模块,最小转换时间为500ns,可高速地进行模拟量采集;多达12路的比较PWM波形输出,便于进行PWM控制;4个捕获单元,可高速地捕捉外部输入信号的变化;4个16位通用目的定时器(GPTimer),具有6种工作方式;Watchdog定时器模块(具有实时中断功能)。5)可以使用标准C语言编程,缩短了开发周期。控制电路部分实际上是一个实时检测和控制系统,包括对开关电源输出端电压、电流和IGBT温度的检测,对收集信息的分析和运算处理,对电源工作参数的设置和显示等。其控制过程主要是通过采集开关电源的相关参数,送入DSP芯片进行预定的分析和计算,得出相应的控制数据,通过改变输出PWM波的占空比,送到逆变桥开关器件的控制端,从而控制开关电源的输出电压和电流。控制电路主要包括DSP最小系统、驱动电路、辅助电源电路、采样电路、保护电路以及键盘显示电路等。如下图5所示为控制电路的结构框图:3pid算法的改进为了使PID算法更加适合开关电源系统的特定结构,使系统更加稳定,在选用增量式PID控制算法的同时对其进行了相应的改进。3.1机构极限现象积分调节有利于消除静差,但是在过程启动、结束、大幅增减设定值时,短时间内造成积分饱和,致使控制量超过执行机构极限,形成超调量大,震荡现象。采用积分分离法根据差值大小判断是否加进积分调节。当en≥ef时,限制积分作用,采用PID调节,取较大的Kp和较小的Kd,限制积分作用,使系统具有较好的跟踪性能,也避免响应超调过大;当en<ei时,引入积分环节,采用PID调节,选取适当的Ki,减小Kp和Kd,避免系统发生振荡。3.2pid控制器设计系统在进入稳态后,偏差是很小的,如果偏差e在一个很小的范围内波动,控制器对这样微小的偏差计算后,将会输出一个微小的控制量,使输出的控制值在一个很小的范围内,不断改变自己的方向,频繁动作,发生振荡,这既影响输出控制器,也会对负载不利。为了避免控制动作过于频繁,消除由于频繁动作所引起的系统振荡,在PID算法的设计中设定了一个偏差死区eo,当采集到的偏差|en|≤eo时,不改变控制量,使充电过程能够稳定地进行,只有当|en|>eo时才对输出控制量进行调节。变量pk是提供给PID控制器的值。如果e0太小,两种方式的转换将很频繁,导致在稳态时输出电压的振荡增加。另一方面,如果e0过大则系统响应会大大滞后。在本系统中,由于选用TMS320LF2407A内部10位的A/D转换器,电源输出为220V,所以系统的控制精度为220V/1023≈0.215V。由于输出偏差要求在±1%的范围内,故在设计时选取e0=0.5V。3.3制系统的性能数字PID控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。而测量信号中总是存在一些干扰、噪声或者畸变,这些因素都影响上述控制算法的精度,从而使整个控制系统的性能下降。因此,利用数字滤波技术能够有效地对偏差信号(测量信号)中的干扰、噪声进行滤波或者对其畸变进行动态补偿,从而提高数字PID控制算式的精度,改进控制系统的性能。本系统设计中采用数字平滑滤波技术,即在第n次采样时刻连续采样8次,可以得到en1,en2,…,en8,然后利用软件程序剔除其中的最大值和最小值,对剩余的6次采样值求平均值,把这个平均值作为第n次采样时刻的偏差信号,代入前面的式(6)进行计算,这样就能最大程度地消除这类快速随机干扰对控制器输出的影响。4控制模块设计为了构建DSP控制器软件框架,使程序易于编写、查错、测试、维护、修改、更新和扩充,在软件设计中采用了模块化设计,将整个软件划分为初始化模块、ADC信号采集模块、PID运算处理模块、PWM波生成模块、液晶显示模块以及按键扫描模块。其中,以PID运算处理模块为核心,各模块间的联系如图6所示。本系统借助DSP强大的运算功能,通过软件编程实现了数字PID调节。由于本系统软件中采用的是经过改进增量式PID算法,整个数据的处理在定时器T4触发的中断中执行,其过程为:读采样寄存器数据,数字滤波,判断偏差值并作相应运算,得出输出控制量△u后送入PWM波生成模块改变其占空比。整个算法的软件流程如图7所示。5试验结果5.1变压器的d参数运用MATLAB/simulink对开关电源的数字PID控制系统进行仿真。通过仿真分析,对Kp、Ki和Kd参数的整定提供了参考,也为样机的研制提供了依据。如图8所示为开关电源阶跃相应的仿真图,其中开关电源可以看作一个二阶系统。由图8可以看出,曲线1中参数Ki偏大Kd偏小导致超调量过大;曲线3中Ki偏小,Kd偏大导致响应速度慢;而曲线2无论动态性能还是稳态性能都较好,因此,在样机的研制中应参照曲线2中的参数进行设计。5.2试验样机输出波形根据前述数字PID控制方案,设计了一台试验样机,其主要技术指标为:输入电压:三相AC380V±5%输出电压:DC220V±1%输出电流:50A开关频率:20kHz所得试验样机额定负载时的输出波形如图9所示。由图9实际读数可知,输出电压从0V上升到220V的响应时间为1s左右,电源系统具有较快的响应速度,系统稳定后也具有平稳的电压输出,具有较好的稳态性能。6td—结束语开关电源采用数字PID控制技术,可以克服模拟PID控制中电路复杂,调整困难,可靠性不