DSP數字控制開關電源設計及控制算法研究

張國龍+鄭琛瑤

摘 要： 為了使開關電源具有體積小、智能化等特點，提出采用DSP數字處理技術和模糊PID控制相結合，設計完成了具有響應快、效率高的智能開關電源。通過與外圍EMI濾波電路、光電隔離、保護電路等配合，解決了開關電源對電網的污染，保護開關電源因溫度等不確定因素對開關電源造成的損壞。本開關電源控制算法先進，設計合理，具有較強的工程應用參考價值。

關鍵字： 開關電源； 模糊PID控制； DSP； 電源控制算法

中圖分類號： TN79?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0149?03

Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control

ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao

（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.

Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm

近年來，隨著電力電子技術高速發展，開關電源得到廣泛應用，普通模擬開關電源逐漸顯示出其不足之處：采用模擬器件會導致元器件比較多，分散性大，穩定性差；設計缺乏靈活性，不便于修改，調試不方便，控制不靈活，無法實現復雜的控制算法。為設計出更精確、響應速度更快、效率更高、體積更小的開關電源，開關電源設計人員采用數字化電路與開關電源相結合來設計數字化開關電源。以DSP系統為基礎的開關電源電路簡單，結構緊湊，性能卓越，功能齊全。DSP系統具有較高的計算與控制能力，利用DSP進行A/D轉換后進行運算，可以有效抑制或消除各個功能模塊間相互干擾，提高開關電源輸出電壓的穩定性和精度。本文將重點分析和討論利用DSP系統設計開關電源的實現方法和控制算法。

1 基于DSP控制的實現方法

DSP系統已廣泛應用于開關電源控制電路，是開關電源的控制核心電路，可以有效利用DSP系統的高速性、可編程性、可靠性等特點，結合相應算法實現特定功能，可為開關電源輸出質量好、頻率和幅值可以任意改變的控制信號。圖1為采用DSP系統的控制電路開關變頻電源基本控制硬件框圖。

圖1 開關變頻電源基本控制硬件框圖

開關電源采用高頻SPWM技術和普通電壓逆變電路，DSP系統與IGBT功率模塊構成全數字控制電路。輸出的電壓和電感電流經過網絡轉換成DSP所需要的電平，連接至DSP的A/D單元進行模數變換；控制輸入單元輸入需要的電壓值及頻率值，從而得到逆變電路的基準電壓。

DSP系統經過特點算法進行相關計算后會產生一定死區的控制信號。由于輸出的數字PWM控制信號不足以驅動IGBT開關管，需要經過驅動電路對開關管進行驅動。DSP芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速地進行各種復雜的運算對電源進行控制，可以實現較高的動態性能和穩壓精度。為了有效保護開關電源器件，防止出現過壓、欠壓、過載等情況，系統專門設計了保護電路，一旦出現故障，DSP控制系統封鎖PWM脈沖控制信號，切斷開關電源電壓輸出。

2 開關電源基本控制算法

2.1 PID控制

開關電源的數字化控制需要進行一定的控制算法來產生控制信號，實現控制規律。數字開關電源控制最初是借鑒模擬控制原理，通過數字化實現模擬控制信號。PID算法在數字控制中應用比較廣泛，它具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點。

PID控制是應用最廣泛的控制規律。圖2為常規PID控制原理圖，系統由PID控制器與被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值[r（t）]與實際輸出值[y（t）]構成的控制偏差[e（t）]來計算：

[e（t）=r（t）-y（t）] （1）

將偏差的比例[P、]積分[I]和微分[D]通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規律為：

[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）

或寫成傳遞函數的形式：

[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）

式中：[Kp]為比例系數；[TI]為積分時間常數；[TD]為微分時間常數。

圖2 PID控制框圖

數字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采用時刻的偏差值計算控制量。因此，連續域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，還有一些微分先行法和帶死區的PID控制算法等。

2.2 模糊PID控制算法

目前，開關電源的各種應用場合對電源的動態性能提出了越來越高的要求，其中電壓超調與恢復時間是重要指標。負載的變化或者輸入電壓的變化引起輸出電壓變化，而輸出電壓值取決于濾波器和控制策略。由于開關變換器為一個時變、非線性系統，無法建立精確的數字模型。而模糊PID控制算法的優點在于不需要建立準確的變換器數字模型，非常適合DC?DC變換器的強非線性。自適應的模糊控制可以保證控制系統的信號穩定性。

模糊控制器是以誤差量化因子[e]和誤差變化率量化因子[ec]作為輸入，利用模糊控制規律自整定找出PID控制器三參數[KP，][KI，][KD]與和之間的模糊關系。模糊PID控制原理框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制原理框圖

取[e]和[ec]為輸入語言變量，每個語言變量取“大、中、小”三個詞匯來描述輸入輸出變量的狀態。模糊推理的模糊規則一般形式為：

If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]

其中[Ai，][Bj，][Ci]為其理論上的語言值。

上述規則可以用一個模糊關系矩陣來描述：

[R=i，jAi×Bj×Ci]

根據各模糊子集的隸屬度幅值表和各參數模糊控制規則，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣得到[KP，][KI，][KD]參數調整算式如下：

[KP=K′P+ei，ecj×KuP]

[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）

[KD=K′D+ei，ecj×KuD]

式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制參數，[{e，ec}]是誤差[e]和誤差變化率[ec]對應控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作為修正系統，在控制過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成PID參數的在線自校正。

3 系統硬件及關鍵點設計

3.1 硬件主體

本文設計的開關電源主要是將開關電源優良特性和DSP系統精細化控制相結合。開關電源采用反激式拓撲結構，包括EMI濾波電路、整流/直流平波電路、控制器、信號采樣、PWM驅動、鍵盤及顯示部件組成，力求使開關電源具有高效低耗、便攜化、負載輸出穩定、電路保護可靠、電網寬電壓輸入、電網污染小等特點。圖4為硬件系統主體設計示意圖。

圖4 系統主體設計示意圖

3.2 輸出電壓檢測隔離設計

開關電源輸出電壓檢測過程中對控制電路的隔離保護是非常必要的，這樣不僅可以實現控制電路的安全工作，而且避免了將輸出電路的噪聲引入控制電路中。電壓檢測電路與控制電路隔離保護采用光耦合器進行隔離，它由發光二極管LED、輸出光電二極管PD組成。光耦合器在開關電源的主振回路與輸出采樣之間進行電氣隔離，并為電源穩壓控制電路提供信號通路。

3.3 EMI濾波器設計

開關電源在正常工作時會產生傳導噪聲和輻射噪聲，毫無疑問噪聲主要產生于電源開關過程。開關過程中包含了最大的功率以及最大的電壓變化率dV/dt，同時也包括了最高頻率成分。噪聲的存在將污染電力線路，影響周圍精密電子儀器的運行，比如設計濾波器。EMI濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或者工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。圖5為EMI濾波模型，濾波器的基本結構就是一個分離的二階LC濾波器，其取值原則就是在最小的體積下可以獲得期望的抑制效果。在濾波器模型中還有一個額外的高頻LC濾波器；高頻濾波器當寄生參數使得前面的LC濾波器性能變差時，用來抑制這些高頻噪聲。

圖5 EMI濾波器模型

3.4 高溫保護電路

開關電源在設計中由于轉換效率不同，將部分能量以熱量輻射。溫度升高將影響系統正常工作甚至產生人身危險，為了保證系統安全，開關電源工作時溫度需要實時監控。圖6為溫度采集電路部分電路圖。當系統檢測到溫度過高時，控制模塊立即關斷開關電源輸出，待系統溫度達到工作溫度范圍后開始繼續工作。

圖6 溫度采集電路

4 開關電源性能分析

本文采用反激式開關電源和模糊PID控制算法進行仿真。反激式開關電源的等效模型傳遞函數為：

[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）

式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]為系統比例系數，由開關電源電器元件參數決定。

模糊PID控制器由系統誤差[e]和誤差變化率[ec]為輸入，通過不同時刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制規則在線對PID控制器參數[KP，][KI，][KD]參數進行修改。模糊PID控制系統組成如圖7，圖8所示，階躍響應曲線如圖9所示。

圖7 模糊控制PID控制系統組成

圖8 誤差[e]和誤差變化率[ec]的隸屬函數

本設計開關電源把DSP完美融入到開關電源設計中，充分利用了DSP系統快速運算能力，采用模糊控制算法使開關電源控制智能化，電源快速達到穩定輸出，提高了抗負載擾動能力。

圖9 系統階躍響應

5 結 論

本系統將DSP作為開關電源控制單元，應用模糊PID控制算法，使開關電源和DSP系統完美配合工作。利用了DSP快速處理能力特點產生開關電源PWM控制信號，對開關電源輸出進行精確控制，提高了開關電源輸出精度和轉換效率，使開關電源控制實現智能化；能夠按照負載情況進行實時修正，使電源達到快速穩定輸出；同時利用DSP資源設計完成開關電源顯控單元及保護模塊，提高了開關電源操作性和安全性。

參考文獻

[1] LENK R.實用開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[3] 趙同賀，劉軍.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 許邦建，唐濤.DSP處理器算法概論[M].北京：國防工業出版社，2012.

[5] 郭創，張宗麟.DC?DC電源變換器的拓撲類型[J].電源技術應用，2006（10）：23?26.

[6] 孟淵，王衛國.新型開關電源控制方法研究[J].現代電子技術，2014，37（6）：143?146.

圖6 溫度采集電路

4 開關電源性能分析

本文采用反激式開關電源和模糊PID控制算法進行仿真。反激式開關電源的等效模型傳遞函數為：

[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）

式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]為系統比例系數，由開關電源電器元件參數決定。

模糊PID控制器由系統誤差[e]和誤差變化率[ec]為輸入，通過不同時刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制規則在線對PID控制器參數[KP，][KI，][KD]參數進行修改。模糊PID控制系統組成如圖7，圖8所示，階躍響應曲線如圖9所示。

圖7 模糊控制PID控制系統組成

圖8 誤差[e]和誤差變化率[ec]的隸屬函數

本設計開關電源把DSP完美融入到開關電源設計中，充分利用了DSP系統快速運算能力，采用模糊控制算法使開關電源控制智能化，電源快速達到穩定輸出，提高了抗負載擾動能力。

圖9 系統階躍響應

5 結 論

本系統將DSP作為開關電源控制單元，應用模糊PID控制算法，使開關電源和DSP系統完美配合工作。利用了DSP快速處理能力特點產生開關電源PWM控制信號，對開關電源輸出進行精確控制，提高了開關電源輸出精度和轉換效率，使開關電源控制實現智能化；能夠按照負載情況進行實時修正，使電源達到快速穩定輸出；同時利用DSP資源設計完成開關電源顯控單元及保護模塊，提高了開關電源操作性和安全性。

參考文獻

[1] LENK R.實用開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[3] 趙同賀，劉軍.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 許邦建，唐濤.DSP處理器算法概論[M].北京：國防工業出版社，2012.

[5] 郭創，張宗麟.DC?DC電源變換器的拓撲類型[J].電源技術應用，2006（10）：23?26.

[6] 孟淵，王衛國.新型開關電源控制方法研究[J].現代電子技術，2014，37（6）：143?146.

圖6 溫度采集電路

4 開關電源性能分析

本文采用反激式開關電源和模糊PID控制算法進行仿真。反激式開關電源的等效模型傳遞函數為：

[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）

式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]為系統比例系數，由開關電源電器元件參數決定。

模糊PID控制器由系統誤差[e]和誤差變化率[ec]為輸入，通過不同時刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制規則在線對PID控制器參數[KP，][KI，][KD]參數進行修改。模糊PID控制系統組成如圖7，圖8所示，階躍響應曲線如圖9所示。

圖7 模糊控制PID控制系統組成

圖8 誤差[e]和誤差變化率[ec]的隸屬函數

本設計開關電源把DSP完美融入到開關電源設計中，充分利用了DSP系統快速運算能力，采用模糊控制算法使開關電源控制智能化，電源快速達到穩定輸出，提高了抗負載擾動能力。

圖9 系統階躍響應

5 結 論

本系統將DSP作為開關電源控制單元，應用模糊PID控制算法，使開關電源和DSP系統完美配合工作。利用了DSP快速處理能力特點產生開關電源PWM控制信號，對開關電源輸出進行精確控制，提高了開關電源輸出精度和轉換效率，使開關電源控制實現智能化；能夠按照負載情況進行實時修正，使電源達到快速穩定輸出；同時利用DSP資源設計完成開關電源顯控單元及保護模塊，提高了開關電源操作性和安全性。

參考文獻

[1] LENK R.實用開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[3] 趙同賀，劉軍.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 許邦建，唐濤.DSP處理器算法概論[M].北京：國防工業出版社，2012.

[5] 郭創，張宗麟.DC?DC電源變換器的拓撲類型[J].電源技術應用，2006（10）：23?26.

[6] 孟淵，王衛國.新型開關電源控制方法研究[J].現代電子技術，2014，37（6）：143?146.