基于TMS320C6713的高精度数字电源调节器的设计方案

Digital Power control system based on TMS320C6713
Abstract: This paper introduces the system design methods based on TMS320C6713 in digital power controller. Aiming at the character of TMS320C6713, the paper analyzes and discusses the implement approach of controller, at last points out system composition，and given corresponding principle block diagram.
Key words: TMS320C6713 Power Control PID

摘要：本文介绍一种基于TMS320C6713的高精度数字电源调节器的设计方案。针对TMS320C6713的特点，从系统的角度分析并探讨了调节器的实现途径，并给出了相应的原理框图。
关键字：TMS320C6713 电源控制 PID
1 引言
数字化电源控制是结合计算机技术，通过微处理器的精确运算来控制电源的各项性能及工作全过程，控制电路高度集成、简化。采用数字化控制，有以下的主要优点：1、控制系统设计、开发的自由度大大提高。同样的硬件结构，可以通过不同的软件来对电源进行控制，构造一个通用的控制平台。2、系统的控制性能得到很大的提高，模拟控制中固有的参数漂移等误差产生原因得以消除，不受模拟电路中补偿电路，滤波器等性能的制约，容易得到理想的控制特性，使现代控制理论的应用及高级算法的实现成为可能。3、可靠性与可维护性得到了提高。无需对参数的漂移进行调整与补偿，系统的性能不受元器件特性的影响，提高了系统的稳定性与抗干扰能力。。
目前，DSP在控制领域得到了大量的应用，采用DSP芯片设计控制系统逐步取代了微处理器或微控制器，可使系统得到更快的响应速度和更精确的控制值。DSP软件可以增加系统的实时检测与诊断，由于高速和强大的运算能力，使系统的高频采样已不是问题，明显提高了某些数字控制率在控制系统中的性能。本文就是在数字电源控制器的研究中，提出了DSP的应用方案。
2 TMS320C6713简介
TMS320C6713是TI公司生产的一种高速数字信号处理器（DSP），采用先进的超长指令（VLIW）TMS320C67xTMDSP内核，理论上可以每时钟周期执行8条32b指令。最高时钟频率可以达到300MHz，指令周期最小3.3ns；最高运算速度：2400/1800MIPs/MFLOPs。为了加快处理速度，采用2级cache。芯片内部有16通道EDMA控制器，能够高速处理几乎所有I/O和存储器的接口问题，大大地提高芯片吞吐速度。外部总的存储器空间最大512MB，数据宽度32b，可以支持SBRAM，SDRAM，SARAM，FLASH和EPROM。TMS320C6713与外部I/O接口可以通过FFA构造的I/O端口、HPI口、多通道缓冲（McBSP）口、SPI口、I2C口等几种主要方式。
对TMS320C6713的开发可以用汇编语言，也可以用语言，使用汇编语言的优点在于速度快、可以充分利用芯片的硬件特性，但开发速度较慢，程序可移植性较差；而C语言的优势在于编程容易、调试快速、可读性好，大大的缩短开发时间。TI公司配合C6000推出的汇编语言级C编译器，产生代码平均效率是以往DSPs编译器的3倍。
3 控制系统拓扑结构
该电源精度要求高，控制回路中电流给定是一个至关重要的环节，脉冲工作时给出满足系统要求的脉冲曲线，在稳流工作时给出一个精度达1×10-6的稳定信号。系统中电流环是另一个重要的环节，它的元器件的选择、印刷电路板的制作及布线等等直接影响着系统的跟踪精度、稳定精度等技术指标。

图1 拓扑结构
图1中输出电流的回采通过高精度的ADC芯片实现，经过低温漂、高精度的零磁通电流传感器（DCCT）作为反馈元件，以保证闭环精度。其输出与给定数字N进行比较，得出误差信号经过放大处理，送入控制器运算，由PID算法调节PWM宽度，实现高精度电源的控制。
控制器最小系统以TMS320C6713为核心，包括必要的存储设备（SRAM、FLASH）以存储必要的波形数据。系统还包括外围信号调理电路、PWM功率驱动电路及与上位机的数据传输及远程监控通讯、诊断接口电路等电路组成。
系统控制与调节功能主要通过DSP模块来完成，实现PID控制算法，PWM波形的生成以及数字滤波等功能。DSP在数据处理方面不论是在精度还是速度方面均优于普通微处理器，采用DSP技术，可以实现对反馈信号进行快速实时处理，使得输出电源的电压和频率的波动马上得到调整，以满足系统设计要求。
4 调节器算法
电源系统作为HIRFL—CSR（兰州重离子加速器—冷却储存环）控制系统的一个重要环节，有着严格的要求。电源要求输出电流纹波小、稳定度高，控制器算法的设计成为系统的关键，它的性能如何直接影响电源的性能指标。本系统采用了高性能的DSP芯片做控制器，可以满足较高的性能指标。
在各种数字控制方法中，数字PID控制原理简单、容易实现、稳态无静差、有一定的鲁棒性，在控制领域有广泛的应用。分为电压型与电流型算法，两者的差别在于控制模型上的差异，电压型为比例控制，电流型为一阶滞后，所以在PID参数上有差异。本系统中采用了电流单闭环控制，并采用PID调节器。
PID的合理的参数估计、比较，可以通过matlab软件的传递函数模型仿真得到，由于系统是数字系统，采用的均是数字量，所以必须把PID算法离散化才能使用。又由于系统得存储空间有限，算法的存储空间不能开销过大，所以采用增量式数字PID控制算法，其控制算式和软件框图如图2所示。

u(k)=u(k)-u(k-1)
=Kp*{e(k)-e(k-1)+Ts/Ti*e(k)+Td/Ts*[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}
式中：
Kp—比例系数；
Ti—积分时间常数；
Td—微分时间常数；
Ts—采样周期；
k—采样序号，k=1，2，…；
e(k)—第k次采样的偏差；
e(k-1)—第k-1次采样的偏差；
e(k-2)—第k-2次采样的偏差。

图2 增量式控制软件框图
由于控制器是通过软件来实现的，控制器参数的改变就非常的方便，可以用来实现更加复杂的控制算法，能够对PID参数进行在线的整定，比如自适应控制、神经网络控制、模糊控制等，有利于提高系统的性能。
在Matlab/Simulink中对该算法进行了阶跃跟踪仿真，比较了带有参数整定的算法跟踪曲线，可以看出不同控制参数对系统性能明显的影响，如图3（a）（b）。

图3 PID阶跃跟踪曲线
5 结束语
本文以TMS320C6713为核心构成了一个数字电源控制器，具有较强的控制功能，根据应用现场可以重配置控制方案而不需改变硬件结构，使得具有一定的通用性。DSP的高速处理能力与实时性，使得系统得精度与稳定度均达到了一个新的高度，从而实现了全数字的控制器设计。
本文作者创新点：采用高速DSP代替传统的微处理器，实现了DSP下的数字PID调节，控制器运算和数据处理能力强，实时性好，有很高的处理精度和稳定度，系统具有较高的集成度，便于实现网络控制。

参考文献：
[1] 张山.DSP控制工程技术应用[M].北京.国防工业出版社：2005
[2] 任丽香. TMS320C6000原理与应用[M].北京.电子工业出版社：2000
[3] 赖寿宏.微型计算机控制技术[M].北京.机械工业出版社：1999
[4] 肖洪兵，李冬梅。TMS320C5402DSP在嵌入式测控系统中的应用[J]，微计算机信息，2006，3：67—68

作者简介：范进（1981—），男，湖北利川人，土家族，中国科学院研究生院硕士研究生，研究方向是嵌入式系统、DSP技术；
Email: fanjin@impcas.ac.cn；
敬岚，女，汉族，研究员，博士生导师，研究方向是计算机控制技术。
通信地址：730000 甘肃兰州中国科学院近代物理研究所