【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 止時(shí)間 Toff 來(lái)穩(wěn)定輸出電壓 的。在電路設(shè)計(jì)上要用固定頻率發(fā)生器來(lái)代替脈寬調(diào)制器的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓、頻率轉(zhuǎn)換器 (例如壓控振蕩器 vco)改變頻率。具有 PFM 控制的開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖 29 所示。 PFM 控制的基本原理是 :當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變，而工作周期變長(zhǎng)，使占空比減小，輸出電壓降低。波形如圖 210 所示。調(diào)頻式開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍很寬，調(diào)節(jié)方便，輸出可以不接假負(fù)載。 PFM 控制模式的主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)周期成為負(fù)載的函數(shù)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器顯得比較無(wú)序，并且開(kāi)關(guān)噪聲無(wú)法預(yù)測(cè)，負(fù)載調(diào)整范圍窄，濾波成本高。這在無(wú)線 通信領(lǐng)域就不是很合適。但是，在很多待機(jī)的情況下，選擇 PFM 是非常合適的。比如，便攜式移動(dòng)系統(tǒng)在接收發(fā)送信號(hào)時(shí)，選擇 PWM 工作模式，因?yàn)?PWM 開(kāi)關(guān)噪聲頻譜比較好控制，在待機(jī)的情況下，選擇 PFM 工作模式，就可以提高系統(tǒng)的效率。目前 PFM 控制方式在開(kāi)關(guān)電源中使用己經(jīng)比較普遍，可以實(shí)現(xiàn)快速的上升時(shí)間和輸出電壓超調(diào)量的消除，具有以下優(yōu)點(diǎn) :具有較小的靜態(tài)電壓，靜態(tài)功耗很小，在輕負(fù)載時(shí)的輸入電流比 PWM 控制小 10 至 100 倍，效率很高，工作頻率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高。具有 PFM 功能的集成芯片有 MAX64 TL49 UC1864 等。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 6 頁(yè) 圖 29 PFM 控制的開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖 圖 210 PFM 控制方式波形圖 (3) PWMPFM 混合控制方式 PWM 控制是靠改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 ton。與周期 T(周期不變 )之比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的，PFM 控制是保持開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 ton。一定，通過(guò)改變其截止時(shí)間 toff 來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的。而 PWMPFM 控制則是靠改變 ton。和 toff 兩個(gè)參數(shù) (T=ton+toff 也同時(shí)變化 )來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。應(yīng)該說(shuō)脈沖頻率控制 (PFM 升脈沖寬度控制 (PWM)混合控制電路是突破傳統(tǒng)的一個(gè)近乎完美的結(jié)合。采用 PFMPWM 混合控制方式的開(kāi)關(guān)電源，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)執(zhí)行 PWM 控制模式 。而輸入電壓較高時(shí)切換至 PFM 控制模式。 傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源采用模擬電路控制，但模擬控制存在許多固有的缺點(diǎn) : （ 1）因采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降 。 （ 2）由于人工調(diào)試器件的存在，如可調(diào)電位器，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)的一致性差 。 （ 3）器件老化及熱漂移問(wèn)題的存在，導(dǎo)致電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失敗 。 （ 4）產(chǎn)品升級(jí)換代困難，對(duì)同一型號(hào)的模 擬控制開(kāi)關(guān)電源，若不改動(dòng)硬件，升級(jí)是不可能的，皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁(yè) 每一個(gè)新型的開(kāi)關(guān)電源都要求重新設(shè)計(jì)、制造控制系統(tǒng) 。 （ 5）模擬控制的開(kāi)關(guān)電源的監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，要想恢復(fù)正常，技術(shù)人員必須親赴現(xiàn)場(chǎng)。 開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制方法 開(kāi)關(guān)電源數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì) 數(shù)字化已成為信息社會(huì)主流的今天，電力電子的數(shù)字化控制也是勢(shì)不可當(dāng)?shù)摹ｋS著大規(guī)模集成電路 ASIC、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件 FPGA 及數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的控制逐漸由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，即向數(shù)字化方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)數(shù)字化可帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì) : (1)數(shù)字控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得開(kāi)關(guān)電源的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自動(dòng)控制的最新發(fā)展階段，繼承了人腦的定性、變結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)等思維模式，也給電力電子控制帶來(lái)了一條嶄新的思路。在高頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)電源的模型更加復(fù)雜化，使得模擬控制或經(jīng)典控制理論難于對(duì)其進(jìn)行精確建模和控制，采用先進(jìn)、復(fù)雜的智能控制策略，可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 (2)控制系統(tǒng)靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法及控制參數(shù)，而不必改動(dòng)硬件線路，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。數(shù) 字控制系統(tǒng)的控制方案集中體現(xiàn)在控制程序上，而微處理器一般都具有豐富的片內(nèi)外資源。硬件資源配置確定后，只需要通過(guò)修改控制軟件，就可以提高原來(lái)的控制系統(tǒng)性能，或者根據(jù)不同的控制對(duì)象實(shí)時(shí)、在線更換不同的控制策略軟件。 (3)控制電路的元器件數(shù)量明顯減少，因此縮小了控制板體積，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 (4)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化。由于數(shù)字控制的高可靠性，必然使整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性得到提高，而且可以針對(duì)不同的系統(tǒng) (或不同型號(hào)的產(chǎn)品 )，采用統(tǒng)一的控制板，只是對(duì)控制軟件作一些調(diào)整即可，這對(duì)于生產(chǎn)廠 家而言，無(wú)疑有著巨大的吸引力。 (5)系統(tǒng)的一致性較好，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不會(huì)像模擬器件那樣存在差異，所以，對(duì)于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也沒(méi)有模擬系統(tǒng)中模擬器件調(diào)試帶來(lái)的差異問(wèn)題。這樣，同一型號(hào)控制板的性能一致性就會(huì)比模擬系統(tǒng)高很多。 開(kāi)關(guān)電源數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)方式 開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制方式是針對(duì)模擬控制存在的固有缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的，也形成了一系列的控制方式，主要有 3種 :單片機(jī)控制、 DSP 控制和 FPGA 控制。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁(yè) （ 1）單片機(jī)控制 以單片機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的新一代智能開(kāi) 關(guān)電源電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能卓越、功能全面。由于單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，利用它對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而抑制或消除各種干擾信號(hào)和模塊電路引起的誤差，提高開(kāi)關(guān)電源輸出電壓和控制電流精度，因而用單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源是當(dāng)前智能化開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的主流。 以圖 211所示的單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖為例簡(jiǎn)要說(shuō)明單片機(jī)控制的工作原理。從圖 211 中可以看到， 50Hz220V 的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來(lái)自電網(wǎng)的干擾后，進(jìn)入到輸入整流濾波器進(jìn)行整流濾波，變換成直流電壓信號(hào)。該直流信號(hào)通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信 號(hào)再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出到負(fù)載。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的 PWM控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后，驅(qū)動(dòng)功率變換電路工作。利用單片機(jī)高速 ADC 轉(zhuǎn)換通道定時(shí)采集輸出電壓、輸出電流和溫度，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓采集電路實(shí)現(xiàn)了直流輸出電壓的采集，并使其與 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流和短路故障時(shí)，保護(hù)電路對(duì)電源和負(fù)載起保護(hù)作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等提供直流電源。 這種基于單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計(jì)方法容易掌握，而且對(duì)單片機(jī)的 要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復(fù)雜 。單片經(jīng)過(guò)A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換，有比較大的時(shí)延，勢(shì)必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。也有單片機(jī)集成了 PWM 輸出，但開(kāi)關(guān)電源往高頻化發(fā)展，一般單片機(jī)的時(shí)鐘頻率有限，產(chǎn)生的 PWM 輸出頻率和精度反比，無(wú)法產(chǎn)生足夠頻率和精度的 PWM 輸出信號(hào)。 圖 211 單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁(yè) （ 2）基于 DSP 控制 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)已廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的控制，采取 DSP 作為開(kāi)關(guān)電源的控制核心，可以用最少的軟硬件實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的在線 控制。充分發(fā)揮 DSP 的高速性、實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的軟件，應(yīng)用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)特定功能，輸出了質(zhì)量較好、頻率和幅值可任意改變的控制信號(hào)。以圖 212所示的 DSP 控制的開(kāi)關(guān)變頻電源基本控制硬件框圖為例簡(jiǎn)要說(shuō)明 DSP控制的工作原理。開(kāi)關(guān)變頻電源采用高頻 SPWM 技術(shù)和通用電壓型單相全橋逆變電路，選取 IGBT 功率模塊作為開(kāi)關(guān)器件，控制電路采用 DSP全數(shù)字化設(shè)計(jì)。輸出電壓和電感電流通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為 DSP 所需要的電平，接至 DSP 的 A/D 轉(zhuǎn)換口，通過(guò)鍵盤(pán)鍵入所要求的輸出電壓值、頻率值，由 SCI 模塊與 DSP 實(shí)現(xiàn)通訊。得到逆變器當(dāng)前工作的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實(shí)際的正弦調(diào)制信號(hào)，與 DSP 定時(shí)器產(chǎn)生的三角波載波信號(hào)相交截，輸出帶有一定死區(qū)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行隔離放大后送到 IGBT。 DSP 可以把當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓、頻率值送給單片機(jī)并在 8 位 LED 上顯示出來(lái)。為了保證過(guò)壓、欠壓、過(guò)流 (過(guò)載 )的情況下能有效地保護(hù)功率開(kāi)關(guān)和負(fù)載，還設(shè)置了保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)故障， PDPINT 引腳為低電平狀態(tài)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)，切斷開(kāi)關(guān)變頻電源輸出。通過(guò)高性能數(shù)字芯片 DSP對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完 成信號(hào)采樣 AD 轉(zhuǎn)換和 PWM 輸出等工作，由于輸出的數(shù)字 PWM 信號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，需通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，由于這些芯片有比較高的采樣速度 (TMS320LF2407內(nèi)部的 10位 AD轉(zhuǎn)換器完成一次 AD 轉(zhuǎn)換只需 500ns，最快的 8位單片機(jī)最快也要幾微秒 ).和運(yùn)算速度，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的有效控制，有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。但是 DSP 芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高，而且 DSP 控制技術(shù)比較難掌握，在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中難以廣泛應(yīng)用。目前 DSP 技術(shù)已經(jīng)在開(kāi) 關(guān)電源中開(kāi)始應(yīng)用，但主要局限在對(duì)電源性能要求高的而且價(jià)格比較昂貴的領(lǐng)域。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁(yè) 圖 212 DSP 控制的開(kāi)關(guān)變頻電源基本控制硬件框圖 與單片機(jī)控制相比， DSP 控制在總線結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理能力以及指令執(zhí)行時(shí)間上，都有明顯的優(yōu)勢(shì)。它的控制過(guò)程與單片機(jī)控制過(guò)程一樣，只是運(yùn)算功能更加強(qiáng)大，解決了單片機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不足的缺點(diǎn)。 （ 3）基于 FPGA 控制 FPGA 具有容量大、邏輯功能強(qiáng)的特點(diǎn)，而且兼有高速、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部主要分為 2個(gè)模塊，第 1個(gè)模塊是由軟核 CPU組成的通信管理模塊，第 2個(gè)模塊是由幾個(gè) DSP 塊 組成，主要完成調(diào)節(jié)器的 PI 或 PID 運(yùn)算、高分辨率 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生以及數(shù)字濾波等。由 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出，它能夠在產(chǎn)生數(shù)字 PWM 波形的同時(shí)實(shí)現(xiàn)外部通信、顯示等功能，由于內(nèi)部有多個(gè) DSP 塊，所以它可以采用非常復(fù)雜的算法來(lái)進(jìn)行控制和時(shí)延補(bǔ)償。用 FPGA 控制可以得到非常好的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，只是在使用的時(shí)候需要外加高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器。圖 213給出了一個(gè)用 FPGA 控制開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖。與 DSP 控制相同，雖然它的性能優(yōu)越，但是價(jià)格昂貴，有時(shí)甚至一塊 FPGA 芯片的價(jià)格就比一臺(tái)用傳統(tǒng)模擬 PWM 芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源高 出許多。除了上述 3 種控制方法外，還有幾種組合控制方法。比如 :單片機(jī)與 CPLD 的組合、 DSP與 CPLD 的組合和 DSP 與 FPGA 的組合等。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁(yè) 圖 213 FPGA 控制開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖 開(kāi)關(guān)電源的控制算法 開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制，都需要一定的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制規(guī)律。由于數(shù)字控制規(guī)律的設(shè)計(jì)最初常借鑒模擬控制經(jīng)驗(yàn)，所以 PID 算法在數(shù)字控制中的應(yīng)用非常普遍，甚至占據(jù)了主導(dǎo)地位。在數(shù)字控制中，除了最常用的 PID 算法外，由于數(shù)字控制規(guī)律的設(shè)計(jì)非常靈活，因此還可以實(shí)現(xiàn)在模擬控制中難以實(shí)現(xiàn)的一些其它 控制算法，如智能控制、仿人智能 PI 控制、自適應(yīng)控制、專(zhuān)家控制和模糊控制等，以及這些方法的相互結(jié)合而成的新控制算法。 PID 控制算法 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實(shí)現(xiàn) PID 控制算法，而且可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使 PID 控制更加靈活。同時(shí)，使原來(lái)在模擬 PID 控制器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制方法在數(shù)字控制中就能得到解決。 （ 1） PID 控制原理 PID 控制是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律， .常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 214 所示，系 統(tǒng)由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成的控制偏差。其控制規(guī)律為 : ?????? ??? ?ttDp dtdeTteTteKtu01)()(1)()( (22) 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式 : ?????? ???? STSTKsE sUsG Dp111)( )()( (23) 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 12 頁(yè) 式中 :KP比例系數(shù)， Tl積分時(shí)間常數(shù)， TD微分時(shí)間常數(shù) 圖 214 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 : ○ 1 比例環(huán)節(jié) :即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，提高控制精度。 ○ 2 積分環(huán)節(jié) :主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Tl， Tl 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 ○ 3 微分環(huán)節(jié) :能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 從頻域的