基于PID算法的高精度數(shù)字化電源設(shè)計(jì)

　　摘要：提出了一種基于PID算法的高精度數(shù)字化電源設(shè)計(jì)方案。采用DSP和FPGA技術(shù)來(lái)做數(shù)字化PID調(diào)節(jié)，通過(guò)數(shù)字化PID算法產(chǎn)生PWM波來(lái)控制斬波器，達(dá)到控制主回路。從而取代傳統(tǒng)的模擬PID調(diào)節(jié)器，使電路更簡(jiǎn)單，精度更高，通用性更強(qiáng)。

　　引言

　　由于數(shù)字化器件的迅速發(fā)展，有效推動(dòng)了數(shù)字化電源系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的、固定功能的應(yīng)用，模擬電源能保持較大的成本競(jìng)爭(zhēng)力。但是對(duì)于要求靈活性或者較復(fù)雜功能的電源，數(shù)字電源不僅具有低成本競(jìng)爭(zhēng)力并且在許多情況下可能是唯一的選擇。目前在國(guó)內(nèi)，采用FPGA+DSP組合同時(shí)基于PID算法來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字化電源還是比較少見(jiàn)的，這也是本文把其作為主要研究對(duì)象的原因。

　　本文采用FPGA控制18位的高速高精度的AD轉(zhuǎn)換器AD7678采集數(shù)字電源的電壓，同時(shí)利用SPI通信協(xié)議與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在后端DSP通過(guò)PID算法產(chǎn)生PWM波來(lái)控制斬波器，達(dá)到控制主回路。從而取代傳統(tǒng)的模擬PID調(diào)節(jié)器。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　硬件的總體結(jié)構(gòu)主要分為：外圍電路部分、FPGA控制部分和DSP處理部分。

　　設(shè)計(jì)思路：DSP是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，完成PID算法的處理、PWM信號(hào)的給出、發(fā)同步信號(hào)給FPGA、以及程序的調(diào)度等等。由于整個(gè)系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，要求采樣速率和精度相當(dāng)高。本系統(tǒng)采用FPGA來(lái)控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用DSP資源的問(wèn)題，減輕了DSP的負(fù)擔(dān)，DSP可以將讀到的ADC信息做PID調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生PWM波來(lái)控制開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)速率，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

　　系統(tǒng)硬件平臺(tái)

　　　　外圍電路部分

　　　　針對(duì)不同的數(shù)字電源，信號(hào)調(diào)理電路是不一樣的，本次設(shè)計(jì)是對(duì)小于5V的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，如果高于5V要采用分壓電路 [5] 。由于在電壓信號(hào)中存在大量的高頻信號(hào)(干擾)，首先要對(duì)電壓進(jìn)行濾波處理，經(jīng)典的濾波電路就是用電阻、電感、電容組成。如果信號(hào)比較小，還要經(jīng)過(guò)放大等。本次設(shè)計(jì)采用差分電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，有利于ADC對(duì)輸入信號(hào)的高精度采集，還可以對(duì)ADC起保護(hù)作用，也是本次設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一，具體電路如圖2所示。