基于DC-DC變換器雙脈寬調制數字控制設計

魏華汝，張俊洪，高 嵬，彭 威

?

基于DC-DC變換器雙脈寬調制數字控制設計

魏華汝，張俊洪，高 嵬，彭 威

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

基于雙脈寬調制的客觀需要，本文采用了PID補償網絡方法來對系統性能進行優化。構建閉環反饋的方式來提升直流輸出的質量，同時使得整個系統保持更高的穩定性。本研究用增量代替微分的思想使數字補償替代模擬補償，根據DSP28335數字信號處理器的特點設計了產生雙脈寬信號的方法，并通過仿真實驗證明了PID補償對系統的優化效果。

雙脈寬調制 數字控制 PID

0 引言

PID控制器目前已經廣泛應用到了工業工程中，其使用具有明顯的優勢，主要體現在實現簡單、穩定性與魯棒性較強等方面，可以將其有效地應用到大多數情況下的控制系統中。隨著PID控制器技術的發展，目前逐步將其拓展到了建材、電氣、化工以及自動控制等領域中，其使得整個系統的穩定性與可靠性得到了較高的保證。相關數據表明，當前采用最多的控制技術即為PID控制技術，其在實際工程中的應用比例已經達到了90%以上，而其他諸如手工控制方式以及智能控制方式等所占據的比例較低。通過文獻也可以了解到，目前在工業控制中的PID結構回路比例已經高達95%。經過上述分析可以看到PID控制技術具有較為明顯的優勢，并且較為普遍的應用到了當前的工業生產中。

1 雙脈寬調制基本原理

傳統的單脈寬調制在一個開關周期中，只有一次開通和開關，雖然原理簡單，易于實現，但輸出電壓諧波含量高，對輸出濾波器設計要求比較高。雙脈寬調制可以有效實現對輸出電壓諧波各次諧波含量的控制，根據實際需要靈活分配開通和關斷時間的起始時刻。

在占空比高于0.5時選擇使用電流控制模式容易引起輸出電流中的諧波震蕩，此時對諧波抑制效果的分析容易造成影響。而使用指環控制模式需要在濾波電路方面付出較大的精力，其性能也比較容易受到干擾。電壓控制模式在穩定性與抗干擾性方面具有明顯的優勢，因此經過分析可以選擇使用電壓控制模式來完成本實驗，其中圖1中展示的即為Buck電路閉環結構。

圖1 系統閉環結構圖

2 PID控制理論

PID控制方式可以依據比例(P)，積分(I)，微分(D)進行組合的形式來對偏差進行控制，PID控制的作用體現在如下幾個方面：首先需要通過比例環節對控制系統的偏差信號e(T)進行高效地展現，并在較短的時間內得到控制函數，使得偏差調節到最小方向。而在比例系數逐步增大的過程中，穩定性誤差會出現降低，使得動態性能降低，超調量提升。其次是積分環節，其主要應用到對靜力差的消除過程中，當閉環系統呈現出穩定狀態時，控制輸出與控制偏差將會實現較高的穩定性。其積分強度大小與積分時間常數存在直接的關系。如果時間常數變大，積分作用就會降低，否則其會出現明顯的上升。而在積分時間常數逐步變小的過程中，靜態誤差會降低，但是積分常數過小時會導致其振蕩更加明顯，穩定性降低。第三是微分環節，其主要對系統穩定性與響應速度進行調節。如果偏差信號過大，可以采用對其進行校正的方式降低系統的動態速率，并有效地減少時間。具體原理如下圖所示：

圖2 PID原理示意圖

其傳遞函數表達式可表示為：

1）比例作用對控制性能的影響

2）微分作用對控制性能的影響

3）積分作用對控制性能的影響

3 雙脈寬調制下PID補償器數字實現

3.1 PID數字補償器實現

隨著DSP技術的發展，其應用逐步拓展到了各個領域中，并使得數字控制技術發揮了更大的作用。數字處理器在數據管理方面具有明顯的優勢，其處理能力較強、效率高、讀寫速度快，同時隨著數字處理器研制技術的提升，其成本也逐步降低，這都使得其逐步得到了更多的應用。相對于先前的模擬控制技術，數字化控制電路的性能更加卓越，其在穩定性、抗干擾性以及溫度控制等方面都能夠達到更好的效果。另外其只需要對程序中的參數進行設置即可調整其控制方式，而沒有涉及到硬件部分的更改，這使得其使用更加便捷，在降低成本的同時顯著地提升了研發效率。如果系統發生故障，則可以直接利用USB方式進行檢測和修復，使其能夠在較短的時間內恢復運行。

圖3 DSP控制實現PID補償的結構圖

本文經過多方面的考慮選擇使用了DSP28335數字控制系統，具體即為圖3所示，其經過一系列的處理過程之后可以將數據傳輸到DSP28335控制器中進行處理，并完成PID補償的過程，此時可以得到移相的雙脈寬信號，并對開關管進行合理的控制。

圖4 DSP28335數字控制系統結構圖

對（2）式進行轉換處理之后可以得到數字補償器形式，具體公式如下所示。其算法流程圖如圖5所示，實現數字補償器。

圖5 PID算法流程圖

圖6 移相雙脈寬PWM信號產生流程圖

3.2 移相雙脈寬調制實現

采用DSP28335對偏差值處理完成之后即可得到PWM信號的總占空比，此時可以將各個占空比的移相以及脈寬值H、G進行制表，并基于實際的占空比來設計調制方式，其具體的過程即為圖6中所示。

對于DSP28335來說，其含有的增強型ePWM數目是6個，各個ePWM都集成了特定的時間基準器與相位控制器。其中前者的功能主要是對PWM頻率進行調節，而后者則是對相位進行合理的控制?；诩拇嫫饔嫈狄约皶r間基準寄存器即可對PWM信號的占空比進行調整。

如果是遞增計數模式，PWM2、PWM1的脈寬比值大小是H，此時可以將2個ePWM的TBPRD值設置相同，即滿足條CMPA=H*CMPB。然后設置條件TBPHS= G*CMPA，即可使得第二個脈寬和第一個脈寬的相位差相與第一個脈寬占空比之間的比值為G。移相雙脈寬調制的具體過程如下圖所示：

圖7 移相雙脈寬信號產生原理

4 小結

本文在設計PID補償網絡時選用了零極點配置法，很大程度上提高了電路的穩定性，使BUCK電路獲得良好的動態性能，通過用增量代替微分的思想使數字補償替代模擬補償，根據DSP28335數字信號處理器的特點設計了產生雙脈寬信號的方法以及PID網絡補償的算法。系統保持了較高的穩定性。系統的超調量得到了明顯地降低，同時其響應速度提升，因此可以證明采用PID網絡補償方式能夠有效地優化系統的動態性能。

[1] 鄭球, 王詩比. 系統的魯棒性分析與設計[J]. 信息與控制, 1989, 18 (6): 15-18.

[2] 瞿剛. 一種智能魯棒控制算法[J]. 信息與控制, 1989, 18(1): 52-58.

[3] 張衛東. PID控制器自整定技術的發展[R]. 2002年世界控制大會總結報告, 2002.

[4] Tang Shi and M. X. Wang. Auto-tuning PID cont-rol for long time delay process[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2002, 36(4): 559-562.

[5] 周楚. 基于DSP的數字PID控制DC-DC變換器的設計[D]. 武漢: 華中師范大學.

[6] 嵇保健. 基于DSP的DC/DC變換器數字控制的研究[J]. 南京航空航天大學, 2007.

[7] 劉陵順, 高艷麗, 張樹團, 王防. DSP原理與開發編程[M]. 北京: 航空航天大學出社, 2011, (12): 123-140.

Design of Double Pulse Width Modulation Digital Control Based on DC-DC Converter

Wei Huaru, Zhang Junhong, Gao Wei, Peng Wei

(Electrical Engineering School of Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)

dual width modulation; digital control; PID

TM464

A

1003-4862（2019）01-0053-04

2018-08-10

魏華汝（1994-），男，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 1045438544@qq.com