数字控制相对模拟控制的优点主要是易于采用先进的控制方法和智能控制策略,提高 电源模块的性能;控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法(比如Micrcochip dspic33c独有的Live Updata功能,可以不掉电升级),而不必更改硬件电路。系统可靠性高,易于标准化,维护方便;系统的一致性较好,体积小,成本低,生产制造方便。
模拟的控制系统:
Type 3补偿器模拟控制框图
数字控制系统:
全数字控制框图
模拟和数字控制环的主要区别之一是,前者所有的值在时间和幅值上都是连续的,而后者的值在时间和幅值都是离散的,时间是离散的是因为信号采样以固定的周期重复进行。幅值是离散的是因为ADC将输入值映射为一组有限的输出可能值。但是数字化PWM开关电源都固有地存在一个开关周期的失控时间,例如当系统在某一个开关周期内发生变化时,这个开关周期的脉冲宽度已经确定,因而只能在下一个开关周期进行调整,不过dspic33c有立即更新的功能,即立即在当前周期进行改变,尽量减少环路延迟时间。在控制环的数字实现中,必须考虑一些延迟:模数转换的采样/转换时间,环路补偿器计算时间,功率元件响应的某种非零延迟,低通滤波器延迟。可以计算出所有这些延迟的总时间,这个时间就是采样频率的边界条件,因为如果系统在比该时间的倒数更高的频率下工作,采样将没有任何意义。换言之,这是在环内传输系统的任何变化所需要的时间。
ADC 采样-保持ZOH的影响
离散时间的数据序列
DSP内部的ADC模块将连续的信号根据给定的REF和采样时钟等配置,转换为离散的数据序列。
采样过程中ZOH的工作过程示意图如下:
ADC采样示意图
可以看出保持输出的值与实际的值延迟1/2采样周期ΔTadc,而ΔTsam为实际的采样周期间隔。
图中蓝色信号为实际的输入连续信号,红色信号为ADC采样值,绿色信号为采样还原后进入DSP内部的信号(即采样输出信号),采样频率越高,模拟信号的还原度越高,失真度越小。ZOH会引入一个采样周期Ts的延迟,通过ZOH重构信号会比原始信号延迟Ts/2,相位之后w*Ts/2弧度或者180°*(fx/fs)deg。
ADC模块的内部工作示意图如下:
ADC模块工作信号流示意图
采样频率的选择
延迟时间的倒数决定系统可使用的最大采样频率。Nyquist 采样定理证明,为了能够重现初始信号,采样频率必须至少是采样信号最大频率的两倍。值2 实际上仅是理论值;在实际应用中,必须更大些。典型值是6到10。相应地,能够正确操作的最大信号频率是采样频率的六分之一到十分之一。采样值如果选择不当会产生混叠效应。
采样频率是被采样信号频率的9xf
采样频率与被采样信号的频率相等fs=fn
采样频率为被采样信号频率的1/2
最好能使数字环的工作速度尽可能的快,以达到最小环内延迟,从而得到最大可能的采样频率。关键是,如果采样频率高,那么信号最大频率也就高;这意味着控制环可以在系统环境条件下很容易地响应高频变化。
对于数字PWM外设,有两个不同的分辨率:频率的分辨率和占空比的分辨率。频率的分辨率取决于PWM外设所选的时钟源,比如dspic33c默认是500MHz主频,那么PWM分辨率就是2ns,如果使能高精度,那么是8倍默认频率的关系,在高精度模式下分辨率可以做到250ps。占空比分辨率有点类似于PWM分辨率,也就是占空比控制的精细程度。PWM分辨率至少应该比ADC的分辨率高一位;否则,输出值将介于两个ADC值之间,因而系统将不断试图达到稳定状态,从而在这两个值之间振荡。
数字控制的主程序一般由两部分组成:
1、一组初始化程序,其中对所有用到的外设寄存器进行设置(可以采用MCC完成);2、主循环。中断服务程序(ISR)将定期中断主循环,以便低优先级任务能在其他时间在此循环内执行。例如,用于均流、用户接口管理以及与外部单元通信。中断服务程序是数字控制程序真正的核心。
基本操作按如下执行:
1.从ADC硬件收集数据。
2.计算当前读到的系统电压值(VFB)与参考电压值的差。
3.执行PID控制,其输出就是占空比。
4.把计算值固定在最小值和最大值之间。
5.用当前产生的(新)占空比更新占空比。由于中断时间资源的限制,有时无法在每个PWM周期更新占空比。占空比更新频率决定最大控制环的带宽,是响应输入(线性稳定度)或输出(负载稳定度)快速变化的系统功能。例如,如果PWM频率为200kHz,每隔一个周期采样电压/电流并更新占空比,变得到100kHz的更新速率,即系统的两次连续干预的时间间隔为10us。
下一篇将举例补偿器3p3z如果实现z域设计的过程。