基于SABER軟件的數字控制電源系統的仿真設計

1. 引言

隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數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，以及穩定的工作性能、良好的設計沿繼性等優(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://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/數字控制">數字控制的電力電子裝置具有較好的系統性能并已得到了廣泛應用；而且數字控制也是最終實(shí)現電源模塊化、集成化、數字化、綠色化的有效手段。

為了高效快捷地完成電源系統的設計，計算機仿真是重要方法之一。計算機仿真指的是利用計算機軟件建立虛擬模型對所研究的系統進(jìn)行實(shí)驗的過(guò)程。^[1]由于不受實(shí)際的實(shí)驗條件的制約，因此大大節省了硬件耗費，縮短了開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)仿真可以很方便地進(jìn)行電路設計，原理分析，控制方案選擇以及參數整定等等。在對數字控制電源系統進(jìn)行仿真時(shí)，由于數字控制系統的閉環(huán)是通過(guò)對數字處理器編程實(shí)現的，而數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，完成閉環(huán)仿真。但是數字控制系統的仿真不同于模擬系統的仿真，首先，數字處理器對數據的處理是離散化的；其次，數字處理器并非實(shí)時(shí)的控制，而是有其自己的工作節拍；另外，模數接口部分對仿真結果具有一定程度的影響，因此只有認清數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)際系統盡量接近，才可能取得滿(mǎn)意的效果。

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

2. 數字控制電源系統的原理與特點(diǎn)

對于一個(gè)典型的數字信號處理系統，通常都是采用如圖 1所示的系統結構。在自然界中大量的信號是模擬信號，所以數字信號處理系統一般輸入為模擬信號x_a(t)；模擬信號x_a(t)經(jīng)過(guò)抽樣處理得到離散信號x_a(n)，再經(jīng)A/D量化得數字信號x(n)，輸入到數字處理單元；經(jīng)數字處理后輸入數字信號x(n)變換成輸出數字信號y(n)；輸出數字信號y(n)再經(jīng)過(guò)D/A變換和平滑濾波得到模擬信號y_a(t)輸出。

圖 1　典型的數字信號處理系統的系統結構

數字控制電源系統一般由兩部分組成，一部分為數字處理器，另一部分為被控對象。數字處理器為離散部分，被控對象為連續部分，或者分別稱(chēng)為數字部分和模擬部分。^[2]若要實(shí)現數字處理器對被控對象的控制，首先必須通過(guò)處理器內部或外部擴展的AD功能模塊以一定的采樣頻率對系統的模擬輸出量進(jìn)行采樣，將該連續信號轉化為離散的數字信號，再經(jīng)過(guò)量化后轉變?yōu)閿底至?，用于處理器內部的運算。而模擬控制系統的采樣是實(shí)時(shí)的，連續的。在數據處理上，數字處理器對數據的處理是離散化的，數字處理器僅對各離散的采樣值進(jìn)行處理，而連續系統是基于連續信號的。隨著(zhù)電源功能的逐步完善，數字處理器除了完成控制功能以外，還要能夠實(shí)現保護、顯示以及遠程監控等各種功能。隨著(zhù)功能的增多，所需要的處理時(shí)間就會(huì )相應地增長(cháng)，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，這使得數字控制難以做到實(shí)時(shí)控制。此外，為了實(shí)現對連續被控對象的控制，處理器內部計算結果的離散化輸出必須轉化為連續信號。對于數字控制開(kāi)關(guān)電源系統，數字處理器的輸出環(huán)節一般為內部或外部擴展的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. 數字控制電源系統的仿真模型設計

3.1 離散化的仿真處理方法

由于數字控制系統由數字處理器和控制對象組成，而它們分別屬于數字部分和模擬部分，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。數字控制部分相對而言復雜一些，需要考慮數模接口和數據處理兩部分。其中數模接口分為AD采樣和DA轉換，它們實(shí)現了功率部分和控制部分之間的接口。在對控制系統進(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)比例項的串聯(lián)，它實(shí)現了連續域到離散域的轉換，在仿真中可以由模數轉換接口“a2z”來(lái)實(shí)現。DA轉換具有零階保持功能，完成離散域到連續域的轉換。對于數字控制開(kāi)關(guān)電源系統，數模轉換常常由數字處理器的PWM功能模塊代替。因此可以根據數字處理器內部PWM信號產(chǎn)生的機理，將計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驅動(dòng)信號。^[3]最終可以得到數字控制電源的控制系統框圖，如圖2所示。其中Hm(s)是采樣電路的等效比例環(huán)節；Vref是數字處理器內部給定的電壓基準；S1是等效開(kāi)關(guān)，完成連續到離散的轉換；Gc(s)是數字處理環(huán)節，這里采用PI算法；zoh是PWM輸出環(huán)節等效的零階保持器；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。