基于SABER軟件的數(shù)字控制電源系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

1. 引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字控制由于其控制理論與實(shí)施手段的不斷完善，并且具有高度集成化控制電路、精確的控制精度，以及穩(wěn)定的工作性能、良好的設(shè)計(jì)沿繼性等優(yōu)點(diǎn)，如今已成為電力電子學(xué)的一個(gè)重要研究方向?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/數(shù)字控制">數(shù)字控制的電力電子裝置具有較好的系統(tǒng)性能并已得到了廣泛應(yīng)用；而且數(shù)字控制也是最終實(shí)現(xiàn)電源模塊化、集成化、數(shù)字化、綠色化的有效手段。

為了高效快捷地完成電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)仿真是重要方法之一。計(jì)算機(jī)仿真指的是利用計(jì)算機(jī)軟件建立虛擬模型對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。^[1]由于不受實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件的制約，因此大大節(jié)省了硬件耗費(fèi)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)仿真可以很方便地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，原理分析，控制方案選擇以及參數(shù)整定等等。在對(duì)數(shù)字控制電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，由于數(shù)字控制系統(tǒng)的閉環(huán)是通過(guò)對(duì)數(shù)字處理器編程實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)字控制方案大多是由模擬方法演變而來(lái)，因此，通常的方法是將數(shù)字控制方案還原成模擬方案，再采取模擬器件搭建閉環(huán)系統(tǒng)，完成閉環(huán)仿真。但是數(shù)字控制系統(tǒng)的仿真不同于模擬系統(tǒng)的仿真，首先，數(shù)字處理器對(duì)數(shù)據(jù)的處理是離散化的；其次，數(shù)字處理器并非實(shí)時(shí)的控制，而是有其自己的工作節(jié)拍；另外，模數(shù)接口部分對(duì)仿真結(jié)果具有一定程度的影響，因此只有認(rèn)清數(shù)字控制與模擬控制二者之間的差別，在建模過(guò)程中，使模型與實(shí)際系統(tǒng)盡量接近，才可能取得滿意的效果。

本文詳細(xì)分析了數(shù)字控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，并提出一種適用于數(shù)字控制電源系統(tǒng)的建模仿真方法。由于該仿真模型更貼近于實(shí)際的數(shù)字控制系統(tǒng)，因此可以用于數(shù)字系統(tǒng)的原理分析和參數(shù)整定等，具有重要的參考價(jià)值。

2. 數(shù)字控制電源系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)

對(duì)于一個(gè)典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，通常都是采用如圖 1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在自然界中大量的信號(hào)是模擬信號(hào)，所以數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)一般輸入為模擬信號(hào)x_a(t)；模擬信號(hào)x_a(t)經(jīng)過(guò)抽樣處理得到離散信號(hào)x_a(n)，再經(jīng)A/D量化得數(shù)字信號(hào)x(n)，輸入到數(shù)字處理單元；經(jīng)數(shù)字處理后輸入數(shù)字信號(hào)x(n)變換成輸出數(shù)字信號(hào)y(n)；輸出數(shù)字信號(hào)y(n)再經(jīng)過(guò)D/A變換和平滑濾波得到模擬信號(hào)y_a(t)輸出。

圖 1　典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字控制電源系統(tǒng)一般由兩部分組成，一部分為數(shù)字處理器，另一部分為被控對(duì)象。數(shù)字處理器為離散部分，被控對(duì)象為連續(xù)部分，或者分別稱為數(shù)字部分和模擬部分。^[2]若要實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理器對(duì)被控對(duì)象的控制，首先必須通過(guò)處理器內(nèi)部或外部擴(kuò)展的AD功能模塊以一定的采樣頻率對(duì)系統(tǒng)的模擬輸出量進(jìn)行采樣，將該連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)量化后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，用于處理器內(nèi)部的運(yùn)算。而模擬控制系統(tǒng)的采樣是實(shí)時(shí)的，連續(xù)的。在數(shù)據(jù)處理上，數(shù)字處理器對(duì)數(shù)據(jù)的處理是離散化的，數(shù)字處理器僅對(duì)各離散的采樣值進(jìn)行處理，而連續(xù)系統(tǒng)是基于連續(xù)信號(hào)的。隨著電源功能的逐步完善，數(shù)字處理器除了完成控制功能以外，還要能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)、顯示以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等各種功能。隨著功能的增多，所需要的處理時(shí)間就會(huì)相應(yīng)地增長(zhǎng)，因此處理器的核心算法的處理頻率受到一定的限制，一般核心算法的處理頻率會(huì)小于電源的開(kāi)關(guān)頻率，這使得數(shù)字控制難以做到實(shí)時(shí)控制。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)被控對(duì)象的控制，處理器內(nèi)部計(jì)算結(jié)果的離散化輸出必須轉(zhuǎn)化為連續(xù)信號(hào)。對(duì)于數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，數(shù)字處理器的輸出環(huán)節(jié)一般為內(nèi)部或外部擴(kuò)展的PWM功能模塊，它具有零階保持的功能，即在下一次輸出更新之前始終保持本次輸出值。

3. 數(shù)字控制電源系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)

3.1 離散化的仿真處理方法

由于數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)字處理器和控制對(duì)象組成，而它們分別屬于數(shù)字部分和模擬部分，因此要對(duì)這兩部分分別建立仿真模型，然后再結(jié)合在一起進(jìn)行仿真。^[2]

模擬部分的建模較為簡(jiǎn)單，只需用仿真軟件中提供的模擬器件搭建好電路即可。數(shù)字控制部分相對(duì)而言復(fù)雜一些，需要考慮數(shù)模接口和數(shù)據(jù)處理兩部分。其中數(shù)模接口分為AD采樣和DA轉(zhuǎn)換，它們實(shí)現(xiàn)了功率部分和控制部分之間的接口。在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，可以把AD采樣看成一個(gè)理想開(kāi)關(guān)與一個(gè)比例項(xiàng)的串聯(lián)，它實(shí)現(xiàn)了連續(xù)域到離散域的轉(zhuǎn)換，在仿真中可以由模數(shù)轉(zhuǎn)換接口“a2z”來(lái)實(shí)現(xiàn)。DA轉(zhuǎn)換具有零階保持功能，完成離散域到連續(xù)域的轉(zhuǎn)換。對(duì)于數(shù)字控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，數(shù)模轉(zhuǎn)換常常由數(shù)字處理器的PWM功能模塊代替。因此可以根據(jù)數(shù)字處理器內(nèi)部PWM信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理，將計(jì)算得到控制量與一個(gè)固定開(kāi)關(guān)頻率的三角載波相交截，從而得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。^[3]最終可以得到數(shù)字控制電源的控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示。其中Hm(s)是采樣電路的等效比例環(huán)節(jié)；Vref是數(shù)字處理器內(nèi)部給定的電壓基準(zhǔn)；S1是等效開(kāi)關(guān)，完成連續(xù)到離散的轉(zhuǎn)換；Gc(s)是數(shù)字處理環(huán)節(jié)，這里采用PI算法；zoh是PWM輸出環(huán)節(jié)等效的零階保持器；Gud(s)是功率電路的輸出電壓與占空比之間的控制傳遞函數(shù)。