李世杰 趙 敏 任一峰

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.北京茨浮測控技術(shù)研究所，北京 100023）

1 引言

在現(xiàn)代科技高速發(fā)展的今天，用電設(shè)備對高質(zhì)量電源的需求日益增多，數(shù)字控制電源在智能化方面凸顯了優(yōu)勢。DSP數(shù)字處理器的應(yīng)用易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，可以從根本上提高系統(tǒng)的性能[5]。

本文提出了一種基于32位數(shù)字處理器TMS320F-2808的大功率DCDC變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，整個(gè)系統(tǒng)包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 DC/DC變換器基本工作原理

本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式。直流電源輸入直流電壓Ui，再由功率開關(guān)管MOSFET斬波， 并且采用四個(gè)MOSFET管并聯(lián)增大輸出功率，同時(shí)采用推挽隔離工作方式，通過高頻變壓器升壓，得到高頻矩形波交流電，最后輸出整流濾波，獲得所需直流輸出電壓Uo。產(chǎn)生頻率固定脈寬可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號的控制器是該系統(tǒng)的核心，通過控制開關(guān)管的通斷狀態(tài)，來調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 電路結(jié)構(gòu)及DSP控制策略

該大功率數(shù)字DC/DC變換調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：可以通過鍵盤精確地動(dòng)態(tài)設(shè)置輸出電壓并顯示輸出電壓值；采用了技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的PID控制策略對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的調(diào)節(jié)；過欠壓，過流的顯示保護(hù)以及蜂鳴器報(bào)警。

3.1 系統(tǒng)電路原理圖與DSP實(shí)現(xiàn)

高性能DSP處理器作為開關(guān)電源的控制核心，不僅克服了模擬控制分立元件過多、電路可靠性差、電路復(fù)雜等缺點(diǎn)；而且符合對電源產(chǎn)品實(shí)時(shí)性和精度越來越高的要求，這是低檔的單片機(jī)根本無法滿足的。

TI公司的TMS320F2808高性能DSP芯片是目前控制領(lǐng)域先進(jìn)的處理器之一，頻率高達(dá)100MHz，并且集成了豐富的內(nèi)核可以訪問和控制的外設(shè)[3]。大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。

（1）高精度EPWM達(dá)到2MHz頻率，超過11位分辨率，高精度的PWM不僅提高了電源轉(zhuǎn)換效率而且使輸出電壓控制更加精確。

（2）零CPU開銷，高達(dá)12.5MHz的A/D轉(zhuǎn)換外設(shè)具有12位分辨率，最小AD轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)160ns，對于20～100kHz的開關(guān)電源來講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了變換器的高速響應(yīng)要求。

（3）SCI外設(shè)采用標(biāo)準(zhǔn)的非歸零數(shù)據(jù)格式，能夠?qū)崿F(xiàn)多CPU之間的數(shù)據(jù)通信，從而完成數(shù)字按鍵靈活控制輸出電壓值。

所以利用TMS320F2808強(qiáng)大、快速的信息處理能力和豐富的外設(shè)資源能夠?qū)崿F(xiàn)大功率DC/DC穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的功能。

圖2 基本原理圖

3.2 系統(tǒng)工作過程簡述如下

該系統(tǒng)屬于推挽式DC/DC變換電路。直流電源輸入為20～27V穩(wěn)定性較差的直流電源，DSP采用脈寬調(diào)制式（PWM）控制方式，輸出20kHz固定頻率的PWM波來控制功率上下橋臂開關(guān)管MOSFET通斷，高頻變壓器將輸入電壓進(jìn)行升壓，在變壓器次級經(jīng)整流濾波得到所需的直流輸出電壓。輸出電壓大小可以通過按鍵根據(jù)要求在50～120V實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的設(shè)置。穩(wěn)壓過程和保護(hù)機(jī)制是，通過電壓、電流霍爾傳感器將實(shí)時(shí)采集的輸出電壓、電流值的模擬信號輸入給DSP的A/D轉(zhuǎn)換外設(shè)，高性能的DSP處理器經(jīng)過高速計(jì)算實(shí)時(shí)控制改變PWM波的占空比，從而使得輸出電壓的穩(wěn)定和實(shí)施保護(hù)[1]。

功率輸出的設(shè)計(jì)方面，該電源系統(tǒng)推挽的上下橋臂分別采用將4個(gè)MOSFET管并聯(lián)方式從而使得輸出功率增大4倍。若需獲得50kW以及更大的輸出功率可以將該系統(tǒng)直接并聯(lián)。

4 DSP控制軟件設(shè)計(jì)

基于BOOST變換器原理，DSP依據(jù)式

式中，Vo為輸出電壓，VIN為輸入電壓，n為變壓器匝數(shù)比，D為PWM的占空比。

計(jì)算與所需輸出電壓相對應(yīng)的開關(guān)控制信號的占空比，并實(shí)時(shí)地依據(jù)反饋信號進(jìn)行控制信號占空比的調(diào)整。

由式（2）得Vref且ADC采樣誤差=ADC檢測值-Vref；

同時(shí)，由式（3）得 DUTY誤差=ADC采樣誤差×0.5×周期值/ADC量程，DUTY=DUTYDUTY誤差，這樣通過實(shí)時(shí)控制PWM的脈寬來保持輸出電壓穩(wěn)壓。程序流程圖如3圖所示。

5 數(shù)字PID控制及動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)測定

由于該系統(tǒng)輸出的電壓信號在不同負(fù)載的情況下或在輸入電壓變化的情況下會有失真，因此需要對該系統(tǒng)采用串聯(lián)PI數(shù)字控制器對輸出電壓信號進(jìn)行校正控制，以實(shí)現(xiàn)電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定[4]。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

數(shù)字PID控制器通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，由于增量式PID輸出增量，誤動(dòng)作影響??；算式不需要累加，僅與最近N次的采樣值有關(guān)，較容易通過加權(quán)獲得比較好的控制效果[2]，因此，該系統(tǒng)采用增量式PID算法。

實(shí)驗(yàn)中，輸入是穩(wěn)定的可調(diào)直流電源，負(fù)載為線性負(fù)載，負(fù)載串聯(lián)1?電阻則可以通過觀測該電阻的電壓值變化來觀測負(fù)載電流的變化。

如圖所示，當(dāng)負(fù)載突然加重到額定值90%以后，通過泰克TDS1012B示波器觀測PID控制對輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的改善，圖中1為負(fù)載電流的變化，2為輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

通過比較圖4，圖5中可以明顯看出，當(dāng)輸入為20V，輸出為88.5V，負(fù)載電流增加突變以后，采用PI數(shù)字控制器后電壓瞬時(shí)下降幅值由1.8V降到0.8V減小約50%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間由50ms縮減為10ms明顯增快。如圖6當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，雖然有PI控制器但穩(wěn)定時(shí)間大約100ms遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載電流增加的時(shí)間，這是因?yàn)檩敵鲭娙菰谳敵鲭妷航档蜁r(shí)需要放電時(shí)間。

圖4 負(fù)載增加無PID控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

圖5 負(fù)載增加有PID控制后動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6 負(fù)載減小有PID控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

在串聯(lián)PI控制器校正時(shí)，該控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)原點(diǎn)開環(huán)極點(diǎn)提高系統(tǒng)的型別，消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生的不利影響，從而改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，并且該控制方式控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)[4]。

6 結(jié)論

實(shí)際參數(shù)測定表明，該DC/DC變換器數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，具有良好的性能。

同時(shí)，利用TMS320F2808豐富的外設(shè)，可以將該系統(tǒng)擴(kuò)展到DC/AC模塊。EPWM的時(shí)基同步和高精度相移控制外設(shè)功能，可以精確的控制DC/AC每一路PWM相位，很容易實(shí)現(xiàn)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行的同相控制；在光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電綠色能源領(lǐng)域中，利用該功能還可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的同步，所以基于TMS320F2808電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 馮楠,曾國宏,張佳.高頻開關(guān)電源的EM I濾波器的研究[J].電氣技術(shù),2006(12):15-17.

[2] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.1:5-16.

[3] TMS320F280X Data Manual[M].Literature Number:SPRS230J.September 2007:11-15.

[4] 段小麗,任一峰.自抗擾控制器解決感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)魯棒性問題[J].電氣技術(shù),2009(2):12-14.

[5] 黃珍貴.高精度數(shù)控穩(wěn)壓電源的研究[D]. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2005.