頂源電子給大家分享：基于模型與多任務(wù)數(shù)字化電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相對于傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于模型的設(shè)計(jì)可以通過建模和仿真來獲得從需求到設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)和測試，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。本文以頂源公司的,模塊電源http://79868.cn.SMD標(biāo)貼產(chǎn)品為例，采用了基于模型設(shè)計(jì)的方法對數(shù)字電源控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先分析了多任務(wù)電源控制系統(tǒng)的工作機(jī)制，在此基礎(chǔ)上對電源控制系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行了合理規(guī)劃和優(yōu)先級劃分，并建立了控制系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)一步結(jié)合Matlab/Embedded Coder集成外設(shè)驅(qū)動并生成了控制系統(tǒng)的工程代碼，并基于Sim Powersystem建立了半橋DC/DC的平均電路模型并通過處理器在環(huán)測試(PIL)對控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證，最后通過了樣機(jī)測試。

在現(xiàn)代電源的技術(shù)應(yīng)用中，數(shù)字控制比傳統(tǒng)的模擬控制具有更高的可靠性和靈活性。數(shù)字電源控制器使用非常少的模擬元件，不僅可以增加系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間，還可以通過增加監(jiān)視、保護(hù)和預(yù)警等功能提高系統(tǒng)的工作可靠性[1,3]。數(shù)字控制的運(yùn)算特性使它更易于實(shí)現(xiàn)非線性控制和多環(huán)路控制等高級算法，同時(shí)還可以及時(shí)通過仿真驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)工作變得相當(dāng)靈活。但是傳統(tǒng)的數(shù)字設(shè)計(jì)方案需要人工編寫代碼，當(dāng)系統(tǒng)變得復(fù)雜時(shí)代碼量很大， 而且也為測試和驗(yàn)證階段帶來很多困難。

相對于傳統(tǒng)的數(shù)字設(shè)計(jì)，基于模型設(shè)計(jì)(MBD)則是通過建模和仿真來獲得從需求到設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和測試，系統(tǒng)模型是開發(fā)過程的核心，并能根據(jù)模型實(shí)現(xiàn)代碼的自動生成。Matlab作為一個(gè)高集成的開放式開發(fā)平臺，在科學(xué)計(jì)算和建模方面處于領(lǐng)先地位，它可以通過使用可視化的模型進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)，代碼測試和驗(yàn)證，目前主要應(yīng)用于汽車電子與航空航天領(lǐng)域，但是對以電力系統(tǒng)來說具有十分顯著的優(yōu)勢，并得到了成功的應(yīng)用[2,9]。本文首先對Matlab/Embedded Coder的多任務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對半橋DC/DC通訊電源的任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)先級劃分和時(shí)序協(xié)調(diào)，并以DSP TMS320F2812為例對半橋DC/DC通訊電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模并對生成代碼進(jìn)行了處理器在環(huán)(PIL)驗(yàn)證，最后給出了樣機(jī)測試結(jié)果。

1.電源控制系統(tǒng)工作機(jī)制

在多任務(wù)系統(tǒng)中，Embedded Coder采用了一種優(yōu)先排序、預(yù)占先的多任務(wù)規(guī)劃，以執(zhí)行具有不同調(diào)度周期的任務(wù)。生成的代碼是以定時(shí)器中斷的背景代碼方式運(yùn)行的，即以基本采樣時(shí)鐘為基準(zhǔn)，系統(tǒng)模塊以時(shí)間驅(qū)動方式周期運(yùn)行；時(shí)間驅(qū)動執(zhí)行模塊是以后臺代碼的形式出現(xiàn)的，不同的任務(wù)模塊代碼將根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級以確定的時(shí)序執(zhí)行。在該方式中，不同的任務(wù)被配置為不同的中斷調(diào)度周期，其中優(yōu)先級較高的任務(wù)的調(diào)度周期較小。高優(yōu)先級任務(wù)之間的可利用時(shí)間用于處理低優(yōu)先級任務(wù)，這種處理方式減小了處理器的空閑時(shí)間和系統(tǒng)的開銷。然而，這種執(zhí)行方式缺乏靈活性，無法實(shí)時(shí)響應(yīng)外部事件。特別是在電源控制領(lǐng)域，控制器必須根據(jù)采樣的電壓電流值實(shí)時(shí)地計(jì)算出PWM的占空比以實(shí)現(xiàn)對電壓的控制。因此，為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，必須以異步方式對硬件中斷做出響應(yīng)。因此，除了建立時(shí)間驅(qū)動任務(wù)外，還必須建立事件驅(qū)動中斷任務(wù)。

2.控制系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的半橋數(shù)字電源控制系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)處理系統(tǒng)，除了環(huán)路控制器外，還具有軟啟動、溫度數(shù)據(jù)接收、故障關(guān)斷以及CAN數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及運(yùn)行的可預(yù)測性要求，在系統(tǒng)中采用了時(shí)間驅(qū)動方式和異步中斷方式。針對兩種方式，將系統(tǒng)功能模塊分為兩類：時(shí)間驅(qū)動執(zhí)行模型和事件驅(qū)動中斷模型。

3.時(shí)間驅(qū)動任務(wù)建模

系統(tǒng)的運(yùn)行流程，其中時(shí)間驅(qū)動模塊是以后臺程序的方式運(yùn)行的，具體分為電源啟停及軟啟動、SPI溫度接收及故障關(guān)斷、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送及GPIO狀態(tài)指示等三個(gè)任務(wù)，三個(gè)任務(wù)的執(zhí)行流程。

4.時(shí)間驅(qū)動任務(wù)流程圖

后臺三個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級要求，其中電源啟停優(yōu)先級最高，該任務(wù)的中斷周期設(shè)為1ms，信號用D1表示，該任務(wù)能根據(jù)接收到的啟停指令對PWM最大占空比進(jìn)行限制并設(shè)定參考電壓。當(dāng)接收到電源停止命令時(shí)，參考電壓設(shè)置為0，PWM將輸出低電平，IGBT將關(guān)斷，主電路停止工作，這也是默認(rèn)方式；當(dāng)接收到電源啟動命令時(shí)，參考電壓設(shè)置為期望值28V，并調(diào)用軟啟動模型。軟啟動模型能夠根據(jù)設(shè)定的電壓步長和當(dāng)前時(shí)刻母線電壓對PWM占空比進(jìn)行設(shè)置，可以限制變換器啟動過程中輸出電壓上升速度過快?？刂普伎毡扔闪阒饾u增大，然后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，軟啟動算法如圖2所示，其中Vset代表最終期望電壓設(shè)置值28V，Vnet為工作過程中實(shí)際電壓設(shè)置值，step則為電壓的軟啟動步長，也是最終允許的期望電壓波動幅度,E(k)=Vnet(k-1)-Vset為當(dāng)前設(shè)置電壓與最終期望電壓差值。

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