基于PID算法的高精度數(shù)字化電源設(shè)計

　　摘要：提出了一種基于PID算法的高精度數(shù)字化電源設(shè)計方案。采用DSP和FPGA技術(shù)來做數(shù)字化PID調(diào)節(jié)，通過數(shù)字化PID算法產(chǎn)生PWM波來控制斬波器，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，有效推動了數(shù)字化電源系統(tǒng)的發(fā)展，對于一個簡單的、固定功能的應(yīng)用，模擬電源能保持較大的成本競爭力。但是對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爭力并且在許多情況下可能是唯一的選擇。目前在國內(nèi)，采用FPGA+DSP組合同時基于PID算法來設(shè)計數(shù)字化電源還是比較少見的，這也是本文把其作為主要研究對象的原因。

　　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PID算法產(chǎn)生PWM波來控制斬波器，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

　　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)計思路：DSP是整個系統(tǒng)的核心部分，完成PID算法的處理、PWM信號的給出、發(fā)同步信號給FPGA、以及程序的調(diào)度等等。由于整個系統(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來控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用DSP資源的問題，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波來控制開關(guān)電路的開關(guān)速率，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

　　系統(tǒng)硬件平臺

　　　　外圍電路部分

　　　　針對不同的數(shù)字電源，信號調(diào)理電路是不一樣的，本次設(shè)計是對小于5V的電壓信號進(jìn)行采集，如果高于5V要采用分壓電路 [5] 。由于在電壓信號中存在大量的高頻信號(干擾)，首先要對電壓進(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。如果信號比較小，還要經(jīng)過放大等。本次設(shè)計采用差分電路對輸入信號進(jìn)行調(diào)理，有利于ADC對輸入信號的高精度采集，還可以對ADC起保護(hù)作用，也是本次設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)之一，具體電路如圖2所示。