4 调节器算法(PI或PID)
调节器的算法在数字电源是一个至关重要的环节,它的好坏直接影响到电源系统的各项性能指标。
以某加速器六极磁铁所需电源为对象,主要参数如下:
磁铁:Rm=0.14H,Lm=0.266mΩ
电源:Un=70V,电压纹波小于1×10-3(1kHz以下);
In=200A,电流纹波小于5×10-5,跟踪误差小于1×10-4。
若采用电流单闭环控制,并采用PI调节器,仿真的系统模型如图3所示。
图3中,上位电流给定信号通过16位DAC转换后,与DCCT输出的电流反馈信号进行比较,得到误差信号,此误差经过误差放大器放大后送入PI调节器,由调节器的输出来控制PWM并驱动功率器件,从而实现负载对象所要求的高精度输出电流。
在Matlab/Simulink中对图3所示系统加以斜坡给定,可仿真得到系统响应如图4所示。可以看出系统无超调,跟踪误差小于0.02A(0.02/200=1×10-4),满足系统要求的指标。
仿真完成后可以通过DSPBuilder系统设计工具构造一个含有HDL语言的PID功能的DSP块。这个DSP块可以作为一个IP核供FPGA直接调用。其输出用于PWM调制。
5 高精度PWM脉冲的生成
FPGA实现PWM部分设计框图如图5所示。
PWM的生成主要由脉宽寄存器、缓冲寄存器、周期寄存器、死区寄存器、死区发生器、数值比较器、控制逻辑等部分组成。脉宽寄存器,决定各路PWM信号的脉宽;缓冲寄存器,实现对脉宽数据的缓冲;周期寄存器,决定PWM的斩波周期;死区寄存器,决定H桥臂的死区时间。脉宽寄存器在每个开关周期更新一次,其输出数据经缓冲后与基准计数器进行数值比较,得到各路PWM信号。再经死区电路处理,最后产生4路PWM驱动信号,驱动相应的功率器件。
基准计数器,用来产生类似模拟电路中的三角波基准,是一个最小计算值为0,最大计算值为周期寄存器中保存的数值、计数方向交替变换的可逆计数器。基准计数单元在最大计数值时产生一个同步信号SYN,当其有效时将4个脉冲宽度的数据存入各自的缓冲寄存器,实现双缓冲,使各个脉冲宽度寄存器在SYN无效时可依次更新而不影响最终的功率器件导通。
6 结束语
本文以FPGA芯片EP1C20为核心,叙述了实现数字化电源控制调节器的一种方法,根据现场工艺要求在FPGA中可灵活配置控制方案而无需重新配置硬件,外围电路(如ADC、DAC等)选用高精度、低温漂的器件,从而实现高精度的数字化电源,这是模拟系统所不及的。同时,由于控制调节的核心采用了数字化电路,系统自身的抗干扰能力明显优于模拟系统。
目前,在很多应用领域中,需要数十台甚至更多电源同时协调工作,即适应网络化电源应用,而上述方案的数字化电源,通过Nios软核CPU的强大通讯功能,可以很方便的实现批量电源的网络化管理。 |
