基于模糊PID算法控制的開關(guān)電源的研制

史　旭　傅　強(qiáng)　宗麗莉　蘇桂國

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　常州　213022）（2.江蘇宏微科技股份有限公司　常州　213022）

1　引言

隨著通訊、計(jì)算機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，各種用電設(shè)備越來越多，然而這些設(shè)備多采用不可控整流的方式，從而導(dǎo)致輸入諧波電流大，功率因素較低，進(jìn)而影響附近設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)大功率的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電源的功率開關(guān)管的頻率和耐壓提出了更高的要求。在拓?fù)湟欢ǖ那闆r下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要是由控制環(huán)節(jié)來決定的。而開關(guān)功率器件的切換會(huì)使系統(tǒng)呈變結(jié)構(gòu)特性，為了提高變換器的性能，需要尋求一種新的非線性控制策略。目前，研究合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略來提高電源的精確性已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。

性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是保證開關(guān)電源高效、可靠運(yùn)行的必要條件。在空間限制的應(yīng)用場(chǎng)合下，集成功率模塊把驅(qū)動(dòng)電路集成在模塊內(nèi)部，從而減小整體電路的體積。目前還存在的電路復(fù)雜，外圍電路多、體積大等缺點(diǎn)，不利于實(shí)現(xiàn)高功率密度的問題［1～2］，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本設(shè)計(jì)采用三電平Buck變換器結(jié)構(gòu)拓?fù)洌?］，有效地減小了開關(guān)管承受的電壓值和開關(guān)損耗?；贏VR16單片機(jī)為控制核心，采用模糊PID控制方法［4］，同時(shí)利用FOD3182設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)電路，具有外圍電路少、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)際電路測(cè)試觀察柵極驅(qū)動(dòng)波形、輸出電壓波形，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。

2　硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1　系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，其中Atmega16單片機(jī)作為控制核心，通過主電路的采樣值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過模糊PID控制算法經(jīng)由數(shù)字PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，最后通過FOD3182驅(qū)動(dòng)電路推挽放大PWM信號(hào)的電壓去控制主電路的功率開關(guān)管的導(dǎo)通。外部中斷主要由短路保護(hù)和過流檢測(cè)保護(hù)。人機(jī)交互主要由數(shù)碼管和鍵盤完成，主要用來觀察輸出電壓值。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2.2　主電路設(shè)計(jì)

針對(duì)大功率應(yīng)用場(chǎng)合，本開關(guān)電源設(shè)計(jì)的主電路采用三電平Buck變換器基本拓?fù)?，能夠減半開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，減小電源體積，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化。其基本示意圖如圖2所示。

圖2　主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 核心MCU選型

單片機(jī)選擇Atmega16，性價(jià)比較高，具有多路A/D采樣通道和PWM信號(hào)輸出通道。接口豐富，完全能夠滿足試驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)能夠在最大程度上充分利用Atmega16單片機(jī)的I/O口，有利于實(shí)現(xiàn)高功率密度技術(shù)。Atmega16單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖3　Atmega16芯片

2.4　仿真器選型

調(diào)試方面選用JTAG仿真模塊，主要作用有

1）測(cè)試芯片的電氣特性，檢查芯片是否有問題；

2）用于Debug，能夠?qū)π酒巴鈬O(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

本次設(shè)計(jì)主要利用JTAG仿真模塊的Debug功能，便于在線調(diào)試。

圖4　AVRJTAG仿真器

2.5　驅(qū)動(dòng)電路芯片選型

考慮到驅(qū)動(dòng)功率要求及驅(qū)動(dòng)保護(hù)，本設(shè)計(jì)采用FOD3182驅(qū)動(dòng)芯片，F(xiàn)OD3182是FAIRCHILD公司生產(chǎn)的一種高速M(fèi)OSFET門極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其內(nèi)部集成光電隔離保護(hù)和推挽放大電路，大大減少了外部元器件的使用，有利于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高功率密度技術(shù)。FOD3182的最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3A，開關(guān)速度延遲最大210ns，最大驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)250kHz且驅(qū)動(dòng)隔離電壓可達(dá)1414V，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　FOD3182芯片

2.6　數(shù)碼管及驅(qū)動(dòng)芯片選型

普通的數(shù)碼管顯示電路足以滿足設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)選用SM320561K-12P數(shù)碼管，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片選用CH451S合適，使用方便，接口簡(jiǎn)單。

圖6　CH451S芯片

圖7　數(shù)碼管電路

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1　主程序設(shè)計(jì)

主程序中設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)初始化，中斷矢量配置，IO口初始化，ADC采樣程序初始化，事件管理器初始化，配置中斷入口地址，使能中斷，開始循環(huán)等待中斷，主控制程序框圖如圖8所示。

圖8　主程序流程圖

3.2　ADC采樣程序

ADC采樣程序包括：ADC采樣初始化，使能中斷，配置ADC模塊和事件EVA，通過運(yùn)算變換，換算成實(shí)際采樣值。

圖9　ADC采樣流程圖

3.3　驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生子程序

PWM信號(hào)發(fā)生子程序的設(shè)計(jì)過程如下所示：首先確定PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率及占空比，設(shè)定當(dāng)前參考值為r（k），采樣值為j（k），依據(jù)兩者誤差e（k）及偏差的變化率ec（k）設(shè)定模糊規(guī)則，整定出PID參數(shù)的調(diào)節(jié)量［5］。其流程框圖如圖10所示。

3.4　數(shù)碼管顯示子程序

數(shù)碼管顯示子程序主要用來循環(huán)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息，在程序啟動(dòng)后進(jìn)行相應(yīng)的顯示初始化，中斷定時(shí)器的初始配置及驅(qū)動(dòng)芯片模塊配置。

4　試驗(yàn)

采用型號(hào)為STW 26NM60（600V/30A）搭建的三電平Buck變換器樣機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，以輸入500V輸出200V為試驗(yàn)條件，基于AVR16芯片產(chǎn)生輸出頻率為50kHz的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過FOD3182驅(qū)動(dòng)芯片直接放大為高電平為+15V，低電平為0V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，符合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求，其示意圖如圖7所示。

圖10　驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生流程圖

圖11　數(shù)碼管電路顯示流程圖

圖12中，柵極驅(qū)動(dòng)波形和三電平Buck變換器樣機(jī)工作原理是相符合的，滿足驅(qū)動(dòng)要求。圖13（a）和13（b）分別是有無采用模糊PID的輸出電壓示意圖，可以明顯看出采用模糊PI控制算法后的輸出的電源電壓精度更高。

圖12　驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖13　輸出電壓波形

5　結(jié)語

本文基于三電平Buck變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款開關(guān)電源，采用模糊PID控制算法有效地提高了輸出電源電壓的精度，也大大減小了電源的體積，向著開關(guān)電源的小型化方向發(fā)展。由FOD3182驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的小體積的驅(qū)動(dòng)電路具有外圍器件較少、設(shè)計(jì)成本低、可靠性高的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。在保證可靠性的基礎(chǔ)上，元器件可選用貼片式，能最大限度的縮小電路的體積，進(jìn)一步提高集成功率模塊的空間利用率，最后在試驗(yàn)中驗(yàn)證了本開關(guān)電源設(shè)計(jì)的有效性及模糊PID控制算法的精確性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。其中，低成本，高功率密度是本開關(guān)電源設(shè)計(jì)的目的所在。

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