魏華汝，張俊洪，高 嵬，彭 威

?

基于DC-DC變換器雙脈寬調(diào)制數(shù)字控制設(shè)計

魏華汝，張俊洪，高 嵬，彭 威

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

基于雙脈寬調(diào)制的客觀需要，本文采用了PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)方法來對系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化。構(gòu)建閉環(huán)反饋的方式來提升直流輸出的質(zhì)量，同時使得整個系統(tǒng)保持更高的穩(wěn)定性。本研究用增量代替微分的思想使數(shù)字補(bǔ)償替代模擬補(bǔ)償，根據(jù)DSP28335數(shù)字信號處理器的特點設(shè)計了產(chǎn)生雙脈寬信號的方法，并通過仿真實驗證明了PID補(bǔ)償對系統(tǒng)的優(yōu)化效果。

雙脈寬調(diào)制 數(shù)字控制 PID

0 引言

PID控制器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了工業(yè)工程中，其使用具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在實現(xiàn)簡單、穩(wěn)定性與魯棒性較強(qiáng)等方面，可以將其有效地應(yīng)用到大多數(shù)情況下的控制系統(tǒng)中。隨著PID控制器技術(shù)的發(fā)展，目前逐步將其拓展到了建材、電氣、化工以及自動控制等領(lǐng)域中，其使得整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性得到了較高的保證。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前采用最多的控制技術(shù)即為PID控制技術(shù)，其在實際工程中的應(yīng)用比例已經(jīng)達(dá)到了90%以上，而其他諸如手工控制方式以及智能控制方式等所占據(jù)的比例較低。通過文獻(xiàn)也可以了解到，目前在工業(yè)控制中的PID結(jié)構(gòu)回路比例已經(jīng)高達(dá)95%。經(jīng)過上述分析可以看到PID控制技術(shù)具有較為明顯的優(yōu)勢，并且較為普遍的應(yīng)用到了當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中。

1 雙脈寬調(diào)制基本原理

傳統(tǒng)的單脈寬調(diào)制在一個開關(guān)周期中，只有一次開通和開關(guān)，雖然原理簡單，易于實現(xiàn)，但輸出電壓諧波含量高，對輸出濾波器設(shè)計要求比較高。雙脈寬調(diào)制可以有效實現(xiàn)對輸出電壓諧波各次諧波含量的控制，根據(jù)實際需要靈活分配開通和關(guān)斷時間的起始時刻。

在占空比高于0.5時選擇使用電流控制模式容易引起輸出電流中的諧波震蕩，此時對諧波抑制效果的分析容易造成影響。而使用指環(huán)控制模式需要在濾波電路方面付出較大的精力，其性能也比較容易受到干擾。電壓控制模式在穩(wěn)定性與抗干擾性方面具有明顯的優(yōu)勢，因此經(jīng)過分析可以選擇使用電壓控制模式來完成本實驗，其中圖1中展示的即為Buck電路閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2 PID控制理論

PID控制方式可以依據(jù)比例(P)，積分(I)，微分(D)進(jìn)行組合的形式來對偏差進(jìn)行控制，PID控制的作用體現(xiàn)在如下幾個方面：首先需要通過比例環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的偏差信號e(T)進(jìn)行高效地展現(xiàn)，并在較短的時間內(nèi)得到控制函數(shù)，使得偏差調(diào)節(jié)到最小方向。而在比例系數(shù)逐步增大的過程中，穩(wěn)定性誤差會出現(xiàn)降低，使得動態(tài)性能降低，超調(diào)量提升。其次是積分環(huán)節(jié)，其主要應(yīng)用到對靜力差的消除過程中，當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)時，控制輸出與控制偏差將會實現(xiàn)較高的穩(wěn)定性。其積分強(qiáng)度大小與積分時間常數(shù)存在直接的關(guān)系。如果時間常數(shù)變大，積分作用就會降低，否則其會出現(xiàn)明顯的上升。而在積分時間常數(shù)逐步變小的過程中，靜態(tài)誤差會降低，但是積分常數(shù)過小時會導(dǎo)致其振蕩更加明顯，穩(wěn)定性降低。第三是微分環(huán)節(jié)，其主要對系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應(yīng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果偏差信號過大，可以采用對其進(jìn)行校正的方式降低系統(tǒng)的動態(tài)速率，并有效地減少時間。具體原理如下圖所示：

圖2 PID原理示意圖

其傳遞函數(shù)表達(dá)式可表示為：

1）比例作用對控制性能的影響

2）微分作用對控制性能的影響

3）積分作用對控制性能的影響

3 雙脈寬調(diào)制下PID補(bǔ)償器數(shù)字實現(xiàn)

3.1 PID數(shù)字補(bǔ)償器實現(xiàn)

隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用逐步拓展到了各個領(lǐng)域中，并使得數(shù)字控制技術(shù)發(fā)揮了更大的作用。數(shù)字處理器在數(shù)據(jù)管理方面具有明顯的優(yōu)勢，其處理能力較強(qiáng)、效率高、讀寫速度快，同時隨著數(shù)字處理器研制技術(shù)的提升，其成本也逐步降低，這都使得其逐步得到了更多的應(yīng)用。相對于先前的模擬控制技術(shù)，數(shù)字化控制電路的性能更加卓越，其在穩(wěn)定性、抗干擾性以及溫度控制等方面都能夠達(dá)到更好的效果。另外其只需要對程序中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可調(diào)整其控制方式，而沒有涉及到硬件部分的更改，這使得其使用更加便捷，在降低成本的同時顯著地提升了研發(fā)效率。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則可以直接利用USB方式進(jìn)行檢測和修復(fù)，使其能夠在較短的時間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。

圖3 DSP控制實現(xiàn)PID補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖

本文經(jīng)過多方面的考慮選擇使用了DSP28335數(shù)字控制系統(tǒng)，具體即為圖3所示，其經(jīng)過一系列的處理過程之后可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP28335控制器中進(jìn)行處理，并完成PID補(bǔ)償?shù)倪^程，此時可以得到移相的雙脈寬信號，并對開關(guān)管進(jìn)行合理的控制。

圖4 DSP28335數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對（2）式進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理之后可以得到數(shù)字補(bǔ)償器形式，具體公式如下所示。其算法流程圖如圖5所示，實現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償器。

圖5 PID算法流程圖

圖6 移相雙脈寬PWM信號產(chǎn)生流程圖

3.2 移相雙脈寬調(diào)制實現(xiàn)

采用DSP28335對偏差值處理完成之后即可得到PWM信號的總占空比，此時可以將各個占空比的移相以及脈寬值H、G進(jìn)行制表，并基于實際的占空比來設(shè)計調(diào)制方式，其具體的過程即為圖6中所示。

對于DSP28335來說，其含有的增強(qiáng)型ePWM數(shù)目是6個，各個ePWM都集成了特定的時間基準(zhǔn)器與相位控制器。其中前者的功能主要是對PWM頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而后者則是對相位進(jìn)行合理的控制?；诩拇嫫饔嫈?shù)以及時間基準(zhǔn)寄存器即可對PWM信號的占空比進(jìn)行調(diào)整。

如果是遞增計數(shù)模式，PWM2、PWM1的脈寬比值大小是H，此時可以將2個ePWM的TBPRD值設(shè)置相同，即滿足條CMPA=H*CMPB。然后設(shè)置條件TBPHS= G*CMPA，即可使得第二個脈寬和第一個脈寬的相位差相與第一個脈寬占空比之間的比值為G。移相雙脈寬調(diào)制的具體過程如下圖所示：

圖7 移相雙脈寬信號產(chǎn)生原理

4 小結(jié)

本文在設(shè)計PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時選用了零極點配置法，很大程度上提高了電路的穩(wěn)定性，使BUCK電路獲得良好的動態(tài)性能，通過用增量代替微分的思想使數(shù)字補(bǔ)償替代模擬補(bǔ)償，根據(jù)DSP28335數(shù)字信號處理器的特點設(shè)計了產(chǎn)生雙脈寬信號的方法以及PID網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)乃惴?。系統(tǒng)保持了較高的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的超調(diào)量得到了明顯地降低，同時其響應(yīng)速度提升，因此可以證明采用PID網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方式能夠有效地優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。

[1] 鄭球, 王詩比. 系統(tǒng)的魯棒性分析與設(shè)計[J]. 信息與控制, 1989, 18 (6): 15-18.

[2] 瞿剛. 一種智能魯棒控制算法[J]. 信息與控制, 1989, 18(1): 52-58.

[3] 張衛(wèi)東. PID控制器自整定技術(shù)的發(fā)展[R]. 2002年世界控制大會總結(jié)報告, 2002.

[4] Tang Shi and M. X. Wang. Auto-tuning PID cont-rol for long time delay process[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2002, 36(4): 559-562.

[5] 周楚. 基于DSP的數(shù)字PID控制DC-DC變換器的設(shè)計[D]. 武漢: 華中師范大學(xué).

[6] 嵇保健. 基于DSP的DC/DC變換器數(shù)字控制的研究[J]. 南京航空航天大學(xué), 2007.

[7] 劉陵順, 高艷麗, 張樹團(tuán), 王防. DSP原理與開發(fā)編程[M]. 北京: 航空航天大學(xué)出社, 2011, (12): 123-140.

Design of Double Pulse Width Modulation Digital Control Based on DC-DC Converter

Wei Huaru, Zhang Junhong, Gao Wei, Peng Wei

(Electrical Engineering School of Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)

dual width modulation; digital control; PID

TM464

A

1003-4862（2019）01-0053-04

2018-08-10

魏華汝（1994-），男，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 1045438544@qq.com