CN113824323A - 数字型可调直流电源控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种数字型可调直流电源控制方法，具体包括系统结构、启动阶段AD口数字量起始实际值自动校准以及运行阶段在一个开关周期内的控制流程。本发明通过硬件电路及参数推导出的AD口数字量起始理论值确定实际数字量起始值的大致区间，经多次采样后滤除由噪声干扰导致的无效信号，将留下的采样值取平均后得到AD口数字量起始实际值。并且本发明通过合理选择修正输出电压电流给定值与判断运行状态的时间间隔，同时在运行状态发生变化时修正电压电流调节器积分累积值，达到装置在运行的过程中能够平稳切换输出状态的效果。
Description
技术领域
本发明涉及采用高频调制DC-DC变换器控制技术领域，尤其涉及一种数字型可调直流电源控制方法。
背景技术
采用高频调制技术的DC-DC变换器以其体积小、重量轻、功耗小、效率高等优点被广泛应用于工业自动化、军工设备、电力设备等领域。输出可调型的DC-DC直流电源实现了电压和电流的大范围调节，扩大了适用范围。传统型可调直流电源采用专用芯片控制，控制参数修改不便，动态性能较差。并且电压给定信号以及最大输出电流由模拟电压信号表征，但模拟电压信号本身存在误差及高频噪声，这对传统型可调直流电源输出参数的控制精度有很大影响。
可调直流电源数字控制相比专用芯片控制的优势在于修改控制参数方便以及可精确设定输出参数，无需对硬件部分做改动，这能有效缩短产品开发周期。但数字型可调直流电源存在以下两个问题：1)电压与电流采样电路存在零点漂移，而漂移量并不是固定不变，会受到温度等环境因素的影响，因此开机时输出直流电压与电流AD口对应模拟电压存在误差；2)可调直流电源更新给定输出电压以及最大输出电流时，输出状态会在给定电压以及最大输出电流两者之间发生切换，切换过程中往往会引起冲击信号。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服数字型可调直流电源开机阶段AD口模拟电压起始值不准确以及输出状态切换过程中的不稳定，提高装置运行的可靠性。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：提供一种能够自动校准AD口数字量起始实际值并能平稳切换运行状态的数字型可调直流电源控制方法，MCU接收上位机发送的输出电压设定值以及输出电流最大允许值，通过电压电流传感器以及调理电路将DC-DC变换器输出电压电流转化为MCU内置AD可接受模拟电压，在每个开关周期内MCU计算控制量并产生各开关管PWM控制信号，同时MCU将采集到的输出电压电流发送给上位机。
在启动阶段可自动校准AD口数字量起始实际值的实现过程包括以下步骤：
(1)根据硬件电路参数计算输出电压电流为零时，对应AD口模拟电压起始理论值；
(2)根据所用AD转换模块分辨率，将AD口模拟电压起始理论值换算为数字量起始理论值；
(3)主程序初始化过程中分别对电压电流AD口采集N次，并将结果保存；
(4)针对电压AD口设置数字量起始上限值与下限值，对步骤3中每个采样结果进行判断，若在规定范围内保留，而在规定范围以外则舍去，对保留下来的采样值取平均，最后获得电压AD口数字量起始实际值；
(5)针对电流AD口设置数字量起始上限值与下限值，对步骤3中每个采样结果进行判断，若在规定范围内保留，而在规定范围以外则舍去，对保留下来的采样值取平均，最后获得电流AD口数字量起始实际值；
本发明进一步提供了数字可调直流电源控制方法在运行过程中一个开关周期内完成一次控制的实现过程包括以下步骤：
(1)在载波周期值到来时刻，启动MCU内置AD转换器；
(2)AD转换器转换结束，进入AD中断子程序；
(3)读取采集到的输出直流电压与电流实际值；
(4)每隔一段时间修改输出电压给定值与输出电流给定值，如果当前开关周期内需要修改，若|实际输出电压-上位机设定输出电压值|＞ΔU则输出电压给定值增加ΔU，若|实际输出电压-上位机设定输出电压值|＜ΔU则输出电压给定值为上位机设定输出电压值，若|实际输出电流-上位机设定最大允许电流输出值|＞ΔI则输出电流给定值增加ΔI，若|实际输出电流-上位机设定最大允许电流输出值|＜ΔI则输出电流给定值为上位机设定最大允许电流输出值；
(5)每隔一段时间判断可调直流电源运行在哪个输出状态，如果当前开关周期内需要判断，若当前实际输出电流>＝上位机设定最大允许电流输出值则可调直流电源运行在恒流工作状态，若当前实际输出电压＞＝上位机设定输出电压值则可调直流电源运行在恒压工作状态；
(6)判断运行状态是否发生变化，若从恒流运行状态变为恒压运行状态则电压调节器积分累积值更新为电流调节器积分累积值/电流调节器饱和值*电压调节器饱和值，若从恒压运行状态变为恒流运行状态则电流调节器积分累积值更新为电压调节器积分累计值/电压调节器饱和值*电流调节器饱和值；
(7)计算当前开关周期电压调节器与电流调节器输出值；
(8)若运行状态为恒压模式则控制量取电压调节器输出值，若运行状态为恒流模式则控制量取电流调节器输出值；
(9)等待下个载波周期值到来时输出控制量，并产生各开关管PWM信号。
本发明中，电压调节器与电流调节器均采用数字PI控制器。
本发明的有益效果是：在主程序初始化阶段能够自动校准AD口数字量起始实际值；另外，在运行的过程中能够平稳切换输出状态。
附图说明：
图1数字型可调直流电源结构框图；
图2校准AD口数字量起始实际值流程图；
图3在一个开关周期内控制量产生流程图；
具体实施方式
本发明的实现基础是，基于DC-DC变换器，MCU通过串口接收上位机发送的输出电压设定值Uset以及输出电流允许最大值Iset，通过霍尔电压电流传感器以及调理电路将DC-DC变换器输出电压电流转化为MCU内置AD可接受模拟电压，在每个开关周期内MCU计算控制量并产生各开关管PWM控制信号，同时MCU通过串口将采集到的输出电压电流发送给上位机。在启动阶段自动校准AD口数字量起始实际值的实现过程包括以下步骤：
(1)根据硬件电路参数计算输出电压电流为零时，对应输出电压AD口模拟电压起始理论值Uanalog，以及对应输出电流AD口模拟电压起始理论值Ianalog；
(2)根据AD转换模块技术参数可知模拟量A对应数字量D，对应输出电压数字量起始理论值为Uanalog/A*D的整数部分Udigital，对应输出电流数字量起始理论值为Ianalog/A*D的整数部分Idigital；
(3)主程序初始化过程中分别对电压电流AD口采集N次，分别将转换结果保存在整型数组Voltage[N]与Current[N]；
(4)逐一筛选Voltage[i](0＜＝i＜＝N-1)，若|Voltage[i]-Udigita1|＜＝ΔD则保留Voltage[i]，若|Voltage[i]-Udigital|＞ΔD则丢弃Voltage[i]，筛选后数组Voltage[N]更新为Voltage[X]，输出电压AD口数字量起始实际值确定为(Voltage[0]+Voltage[1]+…Voltage[X-1])/X的整数部分；
(5)逐一筛选Current[i](0＜＝i＜＝N-1)，若|Current[i]-Idigital|＜＝ΔD则保留Current[i]，若|Current[i]-Idigital|＞ΔD则丢弃Current[i]，筛选后数组Current[N]更新为Current[Y]，输出电流AD口数字量起始实际值确定为(Current[0]+Current[1]+…Current[Y-1])/Y的整数部分。
启动阶段MCU初始化结束后，在运行过程中一个开关周期内完成一次控制的实现过程包括以下步骤：
(1)在载波周期值到来时刻，启动MCU内置AD转换器；
(2)AD转换器转换结束，进入AD中断子程序；
(3)读取采集到的输出直流电压Uo与电流实际值Io；
(4)每隔时间ΔT1修改输出电压给定值Uref与输出电流给定值Iref，如果当前开关周期内需要修改，若|Uo-Uset|＞ΔU则输出电压给定值增加ΔU，若|Uo-Uset|＜ΔU则输出电压给定值为Uset，若|Io-Iset|＞ΔI则输出电流给定值增加ΔI，若|Io-Iset|＜ΔI则输出电流给定值为Iset；
(5)每隔时间ΔT2判断可调直流电源运行在哪个输出状态，如果当前开关周期内需要判断，若Io＞＝Iset则可调直流电源运行在恒流工作状态，若Uo＞＝Uset则可调直流电源运行在恒压工作状态；
(6)判断运行状态是否发生变化，若从恒流运行状态变为恒压运行状态则电压调节器积分累积值更新为电流调节器积分累积值/电流调节器饱和值*电压调节器饱和值，若从恒压运行状态变为恒流运行状态则电流调节器积分累积值更新为电压调节器积分累计值/电压调节器饱和值*电流调节器饱和值；
(7)计算当前开关周期电压调节器与电流调节器输出值；
(8)若运行状态为恒压模式则控制量取电压调节器输出值，若运行状态为恒流模式则控制量取电流调节器输出值；
(9)等待下个载波周期值到来时将控制量装载到比较器，控制量与载波比较产生各开关管PWM信号。
下面结合附图进一步说明本发明。
图1所示为数字型可调直流电源结构框图，MCU通过串口接收上位机发送的输出电压设定值以及输出电流允许最大值，通过霍尔电压电流传感器以及调理电路将DC-DC变换器输出电压电流转化为MCU内置AD可接受模拟电压，在每个开关周期内MCU计算控制量并产生各开关管PWM控制信号，同时MCU通过串口将采集到的输出电压电流发送给上位机。
图2所示为校准AD口数字量起始实际值流程图，具体步骤如下：1)计算输出电压电流AD口模拟电压起始理论值Uanalog与Ianalog；2)计算输出电压电流起始数字量理论值Udigital与Idigital；3)采集电压电流AD口N次获得结果数组Voltage[N]与Current[N]；
4)丢弃数组Voltage[N]中无效值，确定输出电压数字量起始实际值；5)丢弃数组Current[N]中无效值，确定输出电流数字量起始实际值。
图3所示为在一个开关周期内控制量产生流程图，具体步骤如下：1)载波周期值到达时启动MCU内置AD转换器；2)AD转换器转换结束，进入AD中断子程序；3)读取输出直流电压电流采集值；4)若间隔ΔT1时刻到达，修改输出电压给定值Uref与电流给定值Iref；5)若间隔ΔT2时刻到达，判断可调直流电源运行状态；6)若运行状态发生变化，修正电压或电流调节器积分累积值；7)计算电压调节器与电流调节器输出值；8)根据运行状态确定控制量；9)下个载波周期值到来时，控制量与载波比较获得开关管PWM信号。
Claims (2)
1.一种数字型可调直流电源控制方法，其特征在于，MCU通过串口接收上位机发送的输出电压设定值Uset以及输出电流允许最大值Iset，通过霍尔电压电流传感器以及调理电路将DC-DC变换器输出电压电流转化为MCU内置AD可接受模拟电压，在每个开关周期内MCU计算控制量并产生各开关管PWM控制信号，同时MCU通过串口将采集到的输出电压电流发送给上位机；在启动阶段自动校准AD口数字量起始实际值的实现过程包括以下步骤：
(1)根据硬件电路参数计算输出电压电流为零时，对应输出电压AD口模拟电压起始理论值Uanalog，以及对应输出电流AD口模拟电压起始理论值Ianalog；
(2)根据AD转换模块技术参数可知模拟量A对应数字量D，对应输出电压数字量起始理论值为Uanalog/A*D的整数部分Udigital，对应输出电流数字量起始理论值为Ianalog/A*D的整数部分Idigital；
(3)主程序初始化过程中分别对电压电流AD口采集N次，分别将转换结果保存在整型数组Voltage[N]与Current[N]；
(4)逐一筛选Voltage[i](0＜＝i＜＝N-1)，若|Voltage[i]-Udigital|＜＝ΔD则保留Voltage[i]，若|Voltage[i]-Udigital|＞ΔD则丢弃Voltage[i]，筛选后数组Voltage[N]更新为Voltage[X]，输出电压AD口数字量起始实际值确定为(Voltage[0]+Voltage[1]+…Voltage[X-1])/X的整数部分；
(5)逐一筛选Current[i](0＜＝i＜＝N-1)，若|Current[i]-Idigital|＜＝ΔD则保留Current[i]，若|Current[i]-Idigital|＞ΔD则丢弃Current[i]，筛选后数组Current[N]更新为Current[Y]，输出电流AD口数字量起始实际值确定为(Current[0]+Current[1]+…Current[Y-1])/Y的整数部分。
2.一种基于权利要求1所述的数字型可调直流电源控制方法，其特征在于，在运行过程中一个开关周期内完成一次控制的实现过程包括以下步骤：
(1)在载波周期值到来时刻，启动MCU内置AD转换器；
(2)AD转换器转换结束，进入AD中断子程序；
(3)读取采集到的输出直流电压Uo与电流实际值Io；
(4)每隔时间ΔT1修改输出电压给定值Uref与输出电流给定值Iref，如果当前开关周期内需要修改，若|Uo-Uset|＞ΔU则输出电压给定值增加ΔU，若|Uo-Uset|＜ΔU则输出电压给定值为Uset，若|Io-Iset|＞ΔI则输出电流给定值增加ΔI，若|Io-Iset|＜ΔI则输出电流给定值为Iset；
(5)每隔时间ΔT2判断可调直流电源运行在哪个输出状态，如果当前开关周期内需要判断，若Io＞＝Iset则可调直流电源运行在恒流工作状态，若Uo＞＝Uset则可调直流电源运行在恒压工作状态；
(6)判断运行状态是否发生变化，若从恒流运行状态变为恒压运行状态则电压调节器积分累积值更新为电流调节器积分累积值/电流调节器饱和值*电压调节器饱和值，若从恒压运行状态变为恒流运行状态则电流调节器积分累积值更新为电压调节器积分累计值/电压调节器饱和值*电流调节器饱和值；
(7)计算当前开关周期电压调节器与电流调节器输出值；
(8)若运行状态为恒压模式则控制量取电压调节器输出值，若运行状态为恒流模式则控制量取电流调节器输出值；
(9)等待下个载波周期值到来时将控制量装载到比较器，控制量与载波比较产生各开关管PWM信号。
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