CN106026636A - 用于程控直流电源的全数字化控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种用于程控直流电源的全数字化控制模块；包括采样电路、FPGA处理电路、开关功率变换电路、采样电路、AD电路和驱动电路；输出电压、电流经采样电路处理后直接送入AD电路转换成数字量的采样信号，采样信号在FPGA处理电路中与设定的数字参考值比较得到数字量的误差信号，该误差信号经FPGA处理电路计算获得频率、占空比可调的数字控制信号，控制信号通过驱动电路缓冲驱动，控制开关功率变换电路中开关管的通断，完成电压、电流的闭环控制。该用于程控直流电源的全数字化控制模块可以有效降低环路补偿的复杂性，实现各种输入和负载状态下自动补偿控制功能，解决快速调整状态下功率转换稳定性降低的问题。

Description

用于程控直流电源的全数字化控制模块

技术领域

本发明涉及一种用于程控直流电源的全数字化控制模块。

背景技术

程控直流电源是科研、试验、生产测试中基础性测试仪器，能提供高性能、高品质、可程控直流供电，广泛应用于军用测控系统、航空航天系统、船舶系统、工业检测与控制、数据采集与处理等其他复杂测试系统领域。

程控直流电源采用闭环反馈控制，以获得可编程的电压/电流输出。传统程控直流电源使用模拟电路方式来实现控制循环。模拟控制对系统状态的反应是实时的，响应速度较快,但为了提高系统的稳定性，需要添加大量元器件进行环路补偿。同时，系统在各种负载、环境条件发生变化的情况下，需要调整补偿元器件的参数，很难实现稳定的环路设计，此外，反馈环路中元器件的寄生参数变化、漂移、老化、不一致性等因素影响，进一步增加了环路补偿设计的复杂性。因此，在需要更快实时反应速度的高性能电源系统中，模拟控制对输入电压和负载的复杂变化，很难实现良好的瞬态响应，无法获得多状态下的稳定控制。

随着模数转换器、高性能微处理器和可编程器件等集成电路和技术近年来突飞猛进的发展，程控直流电源也从模拟电源时代进入全数字电源时代。全数字化控制技术的采用使程控直流电源的多项指标得到显著提升。

采用全数字化控制技术与模拟控制的程控直流电源比较，大大减少模拟器件的使用，降低了硬件系统复杂度，实现精确的非线性控制，同时也避免了由于器件参数变化、失效等造成系统的不稳定度。数字滤波器技术实现了控制环路的自动补偿功能，极大提高了环路控制性能。

传统数字化控制用ADC(模数变换器)将误差信号转化为数字信号，然后进行数字信号处理，误差比较及部分环路补偿依然用模拟电路实现，无法实现全数字控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于程控直流电源的全数字化控制模块，该用于程控直流电源的全数字化控制模块可以有效降低环路补偿的复杂性，实现各种输入和负载状态下自动补偿控制功能，解决快速调整状态下功率转换稳定性降低的问题，可以广泛应用于各种具有快速瞬态响应和高稳定性的程控直流电源中。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于程控直流电源的全数字化控制模块；

包括采样电路、FPGA处理电路、开关功率变换电路、采样电路、AD电路和驱动电路；

输出电压、电流经采样电路处理后直接送入AD电路转换成数字量的采样信号，采样信号在FPGA处理电路中与设定的数字参考值比较得到数字量的误差信号，该误差信号经FPGA处理电路计算获得频率、占空比可调的数字控制信号，控制信号通过驱动电路缓冲驱动，控制开关功率变换电路中开关管的通断，完成电压、电流的闭环控制。

采用这样的结构后，输出电压、电流信息经采样电路处理后直接送入AD电路转换成数字量的采样信号，数字量的采样信号在FPGA处理电路中与设定的数字参考值比较得到数字量的误差信号，该误差信号经FPGA处理电路计算获得频率、占空比可调的数字信号，通过驱动电路缓冲驱动，控制开关功率变换电路中开关管的通断，完成电压、电流的闭环控制。

本用于程控直流电源的全数字化控制模块与现有技术相比，其显著优点是：

1、采用全数字化控制方法，与传统模拟控制和数字控制方法相比，大大减少了模拟器件的使用，降低了硬件系统复杂度，同时也避免了由于元器件老化、温度敏感引起的参数变化以及器件失效等造成的系统不稳定度。

2、采用高速FPGA作为控制核心器件,可以获得更快的响应速度。

3、数字控制循环可完全通过软件进行配置，可以通过优化控制循环来实现对各种状态的理想响应，从而获得良好的输出瞬态响应能力和稳定性能。

4、采用数字化控制方法，针对不同设计，通过软件改变配置，无需改变控制电路，使电路具有良好的选择性、灵活性和扩展性，可实现系统的标准化设计，显著缩短电源的设计周期。

为了更清楚的理解本发明的技术内容，以下将本用于程控直流电源的全数字化控制模块简称为本控制模块。

本控制模块的FPGA处理电路包括：

数字比较单元，用以得到数字量的采样信号与数字参考值比较放大后得到误差信号；

数字滤波单元，通过设置自定义补偿的零极点，实现逐个脉冲的自动补偿，取多周期的平均值来减小噪声和误差，完成误差信号的反馈补偿；

积分器，积分器单元采用增量式算法获得输出控制信号，通过设定饱和限值，调节带宽增益控制系统的总体响应；

DPWM单元，用以输出控制信号由幅度值转化PWM占空比的时间值。

采用这样的结构后，由于FPGA处理电路采用数字信号处理技术，能实现滤波器优化、非线性控制、自动补偿等先进的处理算法，获得数字化的控制量，非常适用于PWM、PFM开关式功率变换电路，数字滤波器的采用，大大提高了系统的控制精度；与模拟控制不同，环路控制转移到FPGA的数字域内，数字控制循环可完全通过软件进行配置，因而我们可以通过优化控制循环来实现针对各种状态的理想响应，从而显著降低了系统设计的复杂度。

附图说明

图1是本控制模块实施例的电路框图。

图2是本控制模块实施例FPGA处理电路的电路框图。

具体实施方式

如图1所示

本控制模块包括：

采样电路，对电源输出电压和电流模拟信号进行采集；

ADC电路，对采样电路的模拟信号转换成数字量的采样信号；

FPGA处理电路，对送入FPGA处理电路中进行数字量的采样信号处理得到数字控制信号，即生成频率、占空比可调的PWM驱动方波；

驱动电路，用以对数字控制信号经驱动电路缓冲放大；

开关功率变换电路，利用驱动信号控制开关管导通与关断。

如图2所示

FPGA处理电路主要包含数字比较单元、数字滤波单元、积分器和DPWM单元。

在FPGA处理电路内预设一个数字参考值，数字比较单元将数字量的采样信号与数字参考值比较放大后得到误差信号，数字滤波单元设置自定义补偿的零极点，并且数字滤波单元借助FPGA的快速处理能力，实现逐个脉冲的自动补偿，为防止干扰，取多周期的平均值来减小噪声和误差，完成误差信号的反馈补偿，积分器采用增量式算法获得输出控制信号，通过设定饱和限值，调节带宽增益控制系统的总体响应，可有效减小积累误差和运算量，降低系统的超调量，增强系统的稳定性，最后经过DPWM单元将输出控制信号由幅度值转化PWM占空比的时间值，以控制开关功率电路中开关管的导通和关断时间，进而达到输出电压、电流准确调节的目的。

本控制模块利用采样电路实现输出电压和电流的采集，并转变为适应ADC电路的输入信号，高速、高精度的ADC电路将电压电流信号数字化处理变为数字量的采样信号，数字量的采样信号送入FPGA处理电路中；高速FPGA处理电路是控制电路的核心，将数字量的采样信号与数字参考值比较，获得误差信号，经数字滤波器自定义零极点补偿，输出频率、脉宽可控的数字信号，实现多复杂状态下稳定、快速的输出响应；

驱动电路将FPGA电路输出的数字信号缓冲放大，转换成具有良好驱动性能和完善保护功能的驱动信号，控制开关功率变换器中开关管的通断；开关功率变换器利用驱动信号控制开关管导通与关断，调节变换器的占空比，最终实现输出电压、电流的精确调整。

本发明采用混合调制方法，增加数字“抖动”处理，有效地提高了DPWM的分辨率，实现将数字化电压、电流信号进行数字信号处理，获得控制开关功率电路PWM信号的功能。

在FPGA中实现数字电源调节器的控制算法，输出响应的调整是通过编程软件来完成，因此可以轻松地实现程控直流电源在各种输入和负载状态下的良好控制。

文中所称的FPGA处理电路，即利用FPGA(现场可编程门阵列)实现处理功能的电路；AD或ADC电路即是数模转换电路或数模转换器。

以上所述的仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于程控直流电源的全数字化控制模块，其特征在于：

包括采样电路、FPGA处理电路、开关功率变换电路、采样电路、AD电路和驱动电路；

输出电压、电流经采样电路处理后直接送入AD电路转换成数字量的采样信号，采样信号在FPGA处理电路中与设定的数字参考值比较得到数字量的误差信号，该误差信号经FPGA处理电路计算获得频率、占空比可调的数字控制信号，控制信号通过驱动电路缓冲驱动，控制开关功率变换电路中开关管的通断，完成电压、电流的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的用于程控直流电源的全数字化控制模块，其特征是：

所述的FPGA处理电路包括：

数字比较单元，用以得到数字量的采样信号与数字参考值比较放大后得到误差信号；

数字滤波单元，通过设置自定义补偿的零极点，实现逐个脉冲的自动补偿，取多周期的平均值来减小噪声和误差，完成误差信号的反馈补偿；

积分器，积分器单元采用增量式算法获得输出控制信号，通过设定饱和限值，调节带宽增益控制系统的总体响应；

DPWM单元，用以输出控制信号由幅度值转化PWM占空比的时间值。