基于SABER软件的数字控制电源系统的仿真设计

1. 引言

随着数字信号处理技术的飞速发展，数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，并且具有高度集成化控制电路、精确的控制精度，以及稳定的工作性能、良好的设计沿继性等优点，如今已成为电力电子学的一个重要研究方向。基于数字控制的电力电子装置具有较好的系统性能并已得到了广泛应用；而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手段。

为了高效快捷地完成电源系统的设计，计算机仿真是重要方法之一。计算机仿真指的是利用计算机软件建立虚拟模型对所研究的系统进行实验的过程。^[1]由于不受实际的实验条件的制约，因此大大节省了硬件耗费，缩短了开发周期。通过仿真可以很方便地进行电路设计，原理分析，控制方案选择以及参数整定等等。在对数字控制电源系统进行仿真时，由于数字控制系统的闭环是通过对数字处理器编程实现的，而数字控制方案大多是由模拟方法演变而来，因此，通常的方法是将数字控制方案还原成模拟方案，再采取模拟器件搭建闭环系统，完成闭环仿真。但是数字控制系统的仿真不同于模拟系统的仿真，首先，数字处理器对数据的处理是离散化的；其次，数字处理器并非实时的控制，而是有其自己的工作节拍；另外，模数接口部分对仿真结果具有一定程度的影响，因此只有认清数字控制与模拟控制二者之间的差别，在建模过程中，使模型与实际系统尽量接近，才可能取得满意的效果。

本文详细分析了数字控制系统的工作特点，并提出一种适用于数字控制电源系统的建模仿真方法。由于该仿真模型更贴近于实际的数字控制系统，因此可以用于数字系统的原理分析和参数整定等，具有重要的参考价值。

2. 数字控制电源系统的原理与特点

对于一个典型的数字信号处理系统，通常都是采用如图 1所示的系统结构。在自然界中大量的信号是模拟信号，所以数字信号处理系统一般输入为模拟信号x_a(t)；模拟信号x_a(t)经过抽样处理得到离散信号x_a(n)，再经A/D量化得数字信号x(n)，输入到数字处理单元；经数字处理后输入数字信号x(n)变换成输出数字信号y(n)；输出数字信号y(n)再经过D/A变换和平滑滤波得到模拟信号y_a(t)输出。

图 1　典型的数字信号处理系统的系统结构

数字控制电源系统一般由两部分组成，一部分为数字处理器，另一部分为被控对象。数字处理器为离散部分，被控对象为连续部分，或者分别称为数字部分和模拟部分。^[2]若要实现数字处理器对被控对象的控制，首先必须通过处理器内部或外部扩展的AD功能模块以一定的采样频率对系统的模拟输出量进行采样，将该连续信号转化为离散的数字信号，再经过量化后转变为数字量，用于处理器内部的运算。而模拟控制系统的采样是实时的，连续的。在数据处理上，数字处理器对数据的处理是离散化的，数字处理器仅对各离散的采样值进行处理，而连续系统是基于连续信号的。随着电源功能的逐步完善，数字处理器除了完成控制功能以外，还要能够实现保护、显示以及远程监控等各种功能。随着功能的增多，所需要的处理时间就会相应地增长，因此处理器的核心算法的处理频率受到一定的限制，一般核心算法的处理频率会小于电源的开关频率，这使得数字控制难以做到实时控制。此外，为了实现对连续被控对象的控制，处理器内部计算结果的离散化输出必须转化为连续信号。对于数字控制开关电源系统，数字处理器的输出环节一般为内部或外部扩展的PWM功能模块，它具有零阶保持的功能，即在下一次输出更新之前始终保持本次输出值。

3. 数字控制电源系统的仿真模型设计

3.1 离散化的仿真处理方法

由于数字控制系统由数字处理器和控制对象组成，而它们分别属于数字部分和模拟部分，因此要对这两部分分别建立仿真模型，然后再结合在一起进行仿真。^[2]

模拟部分的建模较为简单，只需用仿真软件中提供的模拟器件搭建好电路即可。数字控制部分相对而言复杂一些，需要考虑数模接口和数据处理两部分。其中数模接口分为AD采样和DA转换，它们实现了功率部分和控制部分之间的接口。在对控制系统进行分析时，可以把AD采样看成一个理想开关与一个比例项的串联，它实现了连续域到离散域的转换，在仿真中可以由模数转换接口“a2z”来实现。DA转换具有零阶保持功能，完成离散域到连续域的转换。对于数字控制开关电源系统，数模转换常常由数字处理器的PWM功能模块代替。因此可以根据数字处理器内部PWM信号产生的机理，将计算得到控制量与一个固定开关频率的三角载波相交截，从而得到PWM驱动信号。^[3]最终可以得到数字控制电源的控制系统框图，如图2所示。其中Hm(s)是采样电路的等效比例环节；Vref是数字处理器内部给定的电压基准；S1是等效开关，完成连续到离散的转换；Gc(s)是数字处理环节，这里采用PI算法；zoh是PWM输出环节等效的零阶保持器；Gud(s)是功率电路的输出电压与占空比之间的控制传递函数。