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

1. 引言

隨著數(shù)字信號處理技術(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)計沿繼性等優(yōu)點(diǎn)，如今已成為電力電子學(xué)的一個重要研究方向。基于數(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，計算機(jī)仿真是重要方法之一。計算機(jī)仿真指的是利用計算機(jī)軟件建立虛擬模型對所研究的系統(tǒng)進(jìn)行實驗的過程。^[1]由于不受實際的實驗條件的制約，因此大大節(jié)省了硬件耗費(fèi)，縮短了開發(fā)周期。通過仿真可以很方便地進(jìn)行電路設(shè)計，原理分析，控制方案選擇以及參數(shù)整定等等。在對數(shù)字控制電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，由于數(shù)字控制系統(tǒng)的閉環(huán)是通過對數(shù)字處理器編程實現(xiàn)的，而數(shù)字控制方案大多是由模擬方法演變而來，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)字處理器對數(shù)據(jù)的處理是離散化的；其次，數(shù)字處理器并非實時的控制，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，在建模過程中，使模型與實際系統(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，具有重要的參考價值。

2. 數(shù)字控制電源系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)

對于一個典型的數(shù)字信號處理系統(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是模擬信號，所以數(shù)字信號處理系統(tǒng)一般輸入為模擬信號x_a(t)；模擬信號x_a(t)經(jīng)過抽樣處理得到離散信號x_a(n)，再經(jīng)A/D量化得數(shù)字信號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x(n)變換成輸出數(shù)字信號y(n)；輸出數(shù)字信號y(n)再經(jīng)過D/A變換和平滑濾波得到模擬信號y_a(t)輸出。

圖 1　典型的數(shù)字信號處理系統(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，另一部分為被控對象。數(shù)字處理器為離散部分，被控對象為連續(xù)部分，或者分別稱為數(shù)字部分和模擬部分。^[2]若要實現(xiàn)數(shù)字處理器對被控對象的控制，首先必須通過處理器內(nèi)部或外部擴(kuò)展的AD功能模塊以一定的采樣頻率對系統(tǒng)的模擬輸出量進(jìn)行采樣，將該連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號，再經(jīng)過量化后轉(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)的采樣是實時的，連續(xù)的。在數(shù)據(jù)處理上，數(shù)字處理器對數(shù)據(jù)的處理是離散化的，數(shù)字處理器僅對各離散的采樣值進(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，所需要的處理時間就會相應(yīng)地增長，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小于電源的開關(guān)頻率，這使得數(shù)字控制難以做到實時控制。此外，為了實現(xiàn)對連續(xù)被控對象的控制，處理器內(nèi)部計算結(jié)果的離散化輸出必須轉(zhuǎn)化為連續(xù)信號。對于數(shù)字控制開關(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

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)字處理器和控制對象組成，而它們分別屬于數(shù)字部分和模擬部分，因此要對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，它們實現(xiàn)了功率部分和控制部分之間的接口。在對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時，可以把AD采樣看成一個理想開關(guān)與一個比例項的串聯(lián)，它實現(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”來實現(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。對于數(shù)字控制開關(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信號產(chǎn)生的機(jī)理，將計算得到控制量與一個固定開關(guān)頻率的三角載波相交截，從而得到PWM驅(qū)動信號。^[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)。