基于DP的_数字电子负载控制器设计S

第2 0卷第 2期 。 2 0 1 0年 2月 计 算 机 技 术 与 发 展 COMPrc 丌ER TE CHNOI X) GY AND DEVEL( ) PM ENT vc ) i 2 ( ) No 2 F e b 2 0 l 0 基于 D S P的数字 电子负载控制器设计 王子剑， 孔峰 ( 广西工学院 电子信息与控制系， 广西 柳 州 5 4 5 0 0 6 ) 摘要： 为改善传统的电子负载的可靠性和适应性差的问题， 设计了一种基于 D S P的高速数字控制器。该控制器利用数 字 P I D控制的优点， 以定点 3 2 位 D S P T MS 3 2 0 L F 2 8 1 2 为控制环的数字电子负载 ， 具有根据设定值快速调整负载电压和电 流的特点， 较好地满足了测试系统快速性和稳定性的要求 ， 不仅精度有了一定的提高， 而且提高了电子负载控制系统的稳 态和动态特性。试验结果表明， 采用D S P 作为控制器的数字电子负载， 更适合于对控制性能要求较高的电源测试场合， 具 有广阔的应用前景。 关键词： 1 MS L 2 0 2 8 l 2 ； 数字 P I D控制器； 电子负载； D A 中图分类号 ： T P 3 1 1 ； T P 2 0 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 3 6 2 9 X ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 2 4 1 0 4 De s i g n o f Di g i t a l E 。 。 Lo a d Co n t r o l l e r Ba s e d o n DS P WA NG Z i j i a n ， K ON G F e n g ( D e p t o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： To i mp r o v e p o o r r e li a bil i t y a n d a d a p t a b i l i t y o f t h e t r a d i t io n a 1 e l e c t r o n ic l o a d d e s i g n a DS Pb a s e d hig hs p e e d dig i t a l c o n t roll e r Us i n g t h e a d v a n t a g e s o f d i g i t a l PI D c o n t r o l ，t h e d igit a l e l e c t r o n i c lo a d b a s e d o n 3 2一b i t f ix e dp o i n t DS P TMS 3 2 O LF 2 8l 2， h a s t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f r a p i d a d j u s t me n t in a c c o r d a n c e wi t h t h e l oad v o lt a g e and c u r r e n t a c c o r d i n g t o s e t t i n g s B e t t e r me e t t h e t e s t s y s t e m s p e e d a n d s t a b i l i t y o f t h e r e q u i r em e n t s， l lO t o n l y h a v e s o me i mp r o v em e n t i n a c c u r a c y ，b u t als o i mp r o v e t h e s y s t e m s t e a d ys ta t e and d y n a mi c c h a r a c t e r is t i csTe s t r esu l t s s h o w t h a t t h e u s e o f DS P a S a con t r o l l e r o f t he d i g i t al e l e c t r o n i c load i n t h e o c c a s io n s wi t h h i g h e r d e - ma n d o f con t r o l c a p a b il it y 。 wh i c h h a s a p o t e n t ial v a l u e f o r a p p l i c a t i o n Ke y W O l d S ： TMS U 2 0 2 8 1 2； d igit a l PI D c o n t rol l e r ； ELo a d： D A 0 引 言 电源在研发生产过程中或产品出厂前都需要进行 负载试验以检验电源的电气性能和输出能力 ， 负载的 好坏直接影响试验的效率和精度。传统的负载常用滑 线变阻器或变阻箱， 稳定性差、 调节困难。而实际上负 载的形式较为复杂， 常为一些动态负载， 如负载消耗的 功率是时间的函数， 或者负载工作在恒定电流、 恒定电 阻、 负载为瞬时短路负载等， 传统负载不但不能模拟这 些复杂的负载形式， 更不能完成 自动测试。电子负载 可以模拟真实环境中的负载( 用电器) ， 其原理是控制 内功率 MO s F E T或晶体管的导通量( 量占空比大小) ， 靠功率管的耗散功率消耗电能的设备， 它能够准确检 测出负载电压， 精确调整负载电流， 同时可以实现模拟 负载短路， 模拟负载是感性阻性和容性， 调整负载电流 收稿 日期 ： 2 0 0 9一i ) 5 1 4 ； 修回 日期 ： 2 0 0 9 0 82 9 基金项目： 广西研究生教育创新汁划资助项目( 2 0 0 8 1 0 5 9 4 0 8 1 4 M0 3 ) 作者简介 ： 王子剑 ( 1 9 8 0一) ， 男 ， 河南安 阳人 ， 硕士研 究生 ， 研究方向 为电子 负载研究； -f L 峰 ， 教授 ， 研究方向为神经 网络。 上升厂 F降时间。现有电子负载的大都是模拟控制环 节， 调节和控制的适应性和可靠性差， 难以适应不同电 源的具体情况。采用数字信号处理器的电子负载， 可 以对负载电流上升下降率采取数字化实时程序控制， 自动地调节负载电流， 满足各种不同的电源特性要求。 文中基于 T I 公司T MS 3 2 0 L F 2 8 1 2和外接 D A转换芯 片， 实现数字 P I D控制器， 采用的 P I D控制算法是增 量式 P I D控制算法u J 。 1 解决思路 T MS 3 2 0 L F 2 8 1 2 具有较高的运行速度和数据 处理 能力， 能保证系统对多路模拟信号的实时采集和处理， 提高系统的整体性能和集成度。在 I ) S I 内部设置参 考输入量， 通过 I s P的片上 l 2位 A A ) 转换器采样， 把 控制对象的实际输出量采集到 D S I 中， 经过 D S P的数 字运算处理后 ， 通过外 部的 D A转换 芯 片( I ) A 6 l 7 ) 进行数 模转换 ， 得到实际的模拟控制量去控制被控 对 象 ， 使之按照系统 的设置运行 工作。文 中是 一个数字 电子负载 P I D控制 器 ， 现假 设它是一 个对 负载电流进 2 4 2 计算机技术与发展 第 2 0卷 行 给 图 1 传统的 P I D控制器的原理框图 图 1中 ， ( ) 是电流设定值 ， Y ( f ) 是电子负载的 实际测量值， e ( t ) 是输入控制器的偏差信号， u ( t ) 是 控制器输出的控制量， 则P I D控制算式 如式( 1 ) 所示： L ， ( ) = e + 击 e ( ) d t + + U o ( 1 ) 其中： K 是比例系数， 是积分时间常数， T D是 微分时间常数。 上式是模拟形式 的 P I D控 制算式， 现在 采用 T MS L F 2 8 1 2实现数字 P I D控制， D S P控制是一种采样 控制， 它只能根据采样使可得偏差计算控制量， 而不能 像模拟控制那样连续地输出控制量， 进行连续控制， 上 式中的积分和微分项不能直接使用， 必须进行离散化 处理。 离散化处理的方法为： 以 T 作为采样周期， K 作为采样序号， 则离散采样时间 T对应连续时 间t ， 用求和的形式代替积分， 用增 量的形式代替微分 2 l ， 可作如式 ( 2 ) 所示变化。 t k T 舢 f T T ) =丁 1 =0 盟 二 幽： f + 争 ( 一： ) + ( 4 ) ( 3 ) 式 和( 4 ) 式 相减 得方程 ( 5 ) 就是本控制程 序中用到 的增量 式 P I D 控制算式 ： t l k UkU 一 1 Kp 1+ T + 丁T o 一 Kp ( 1 + l +Kp A +如 - l + ( 5 ) 其 中 ：A= K p H T + 辛 B = 一 K p ( 1 + ) ， C ： Kp T 下 。 由式( 5 ) 可以看出， 如果计算机控制系统采用恒定 的采样周期 T， 一旦确定了 A， B， C， 只要前后三次测 量的偏差 ， 就可求出控制量。增量式 P I D控制与位置 式 P I D控制相比仅是算法上有所改变， 它只是改变输 出增量， 减少了 D S P误操作时对控制系统的影响， 而 且不会产生积分失控。该实例基于 T MS L F 2 8 1 2的 P I D控制器的实现框图如图 2所示。 一 e k一1 T ( 2 ) 其中 k=( 0 ， 1 ， 2 ， 3 ) ， 为表示方便将 e ( k T) 简 化为 e ， e ( k一1 ) 7 、 简化为e k 一 1 。 将上式代入( 1 ) 式中 就可得离散的 P I D表达式 ： = + ( 一 1 ) +“ o ( 3 ) =0 如果采样周期取的足够小， 则以上的近似计算可 获足够的精确结果， 离散控制过程与连续控制过程十 分接近。 为增加控制系统的可靠性， 采用增量式 P I D控 制 算 式 ，即 让 T MS L F 2 8 1 2只 输 出 控 制 量 的 增 量 U ( k ) 。 式( 3 ) 是第 k次 P I I ) 控制器的输出量， 那么第 k一1 次 P I D控 制器的输出如式 ( 4 ) 所示 ： 图 2 基 于 T MS L F 2 8 1 2的 P I D控制 器的 实现框图 从图 2 可以看出电子负载的设定值 由 、 P给出， 经过 D S P计算出控制量 ， 对它进行 D A转换 ， 产生模 拟控制量 ， 从而实现对被控信号板的电流和电压的控 制， 而信号板的实际电流电压值通过 A D转换器送人 D S P ， 使整个系统构成一个闭环系统。 2 程序设计 2 1 数字 P I D控制器的 D S P电路设计 基 于 T MS L F 2 8 1 2的电子负载数字 P I D控制器 的 D S P 实现 电路原理框图如图 3 所示 J 。 图3中， D A采用 T I 公司的 D A C 7 6 1 7数模芯片， 它可以实现同时转换四路模拟信号输出， 并有 l 2位的 精度， 转换时间为 l 0微秒。T MS L F 2 8 1 2片上 自带的 A D转换器的输入电压限制在0 3 3 0 0 mV， 信号板的 实际输 出电流 ， 通过一个采样 电阻 I 送到电压跟随器 第 2 期 王子剑等： 基于 D S P的数字电子负载控制器设计 2 4 3 T M S F 2 8 1 2 驱动电路 信号 板 l 。 n T D A C 控制电 压 I d 1 1 7 6 1 7 率电 ) f， I ； + AD C I N5 电流 反馈 电压 V 电 源模块 电 压 ； M CU 检 测 1 控 制器 调理 后慵由滚 T 一 杓 卜_ A D C I N 7 电 路 一 库 匪 图 3 电子负载 实现数 字 P I D控制 器的电路原理框 图 里经过放大后， 以 03 V电压的形式输 出到 D S P的 A D I N 7口。电压信号经驱动电路被成比例的控制在 0 3 V 之 间， 输 人 到 D S P 的 A D C I N 5 口。T M- S L 2 0 2 8 1 2 一共有 1 6 路复用的片上 A D转换器 ， 该 实例只采用第 5 ， 7通道的A D转换， 由D S P计算出控 制量， 数据通过 串行接12 1 S P I 发送给 D A转换器l 4 J ， 转换出来的电压进入驱动放大电路输出相应的控制信 号， 控制驱动放大电路内部相应的模拟开关动作， 进而 改变输出到信号板上 MO S F E T管栅极的电压值 ， 达到 改变漏源电流 I d的大小。在外接电源电压 V一定的 情况下， I d 的变化可以看做等效电阻( MO S F E T) 的阻 值的变化。 2 2 程序设计与说 明 通用 D S P的源代码开发都可以采用两个方法： 一 种是直接利用其提供的汇编指令编写源代码， 然后经 汇编器和链接器进行汇编链接后生成 目标可执行代 码； 另一种方法是利用标准 C C+语言编写源代码， 然后经 C C+编译器 、 汇编器和链接 器进行编译 链 接， 最后生成 目标可执行代码。这两种代码开发方法 都使得开发人员不得不花费大量的时间在代码的编写 上面， 增大产品开发难度， 延长产品开发周期， 从而影 响 开 发 效 率。MAT L A B里 E mb e d d T a r g e t f o r T i C 2 0 0 0 D S P提 供 了 D S P代 码开 发 的平 台 引， Ma t h Wo r k s 公司和 Tl 公司联合开发的工具包 一 乙 L i n l f 0 r C _ CSD e v e l o p m e n t T o o l s ， 已经能 把 MA T L 和 T I 的 D S P集 成开发 环境 C C S ( C o d e C o mp o s e r S t a d i u ) 及目标 D S P连接起来。利用此工具可以像操 作 MA T I 变量一样来操作 T I D S P的存储器或寄 存器， 即整个 目标 D S P对于 MA T L A B像透明的一样， 开发人员在 MA T L A B环境下 ， 就 可 以完成对 ( 的 操作。M AT L A B L i n k f o r C C S D e v e l o p m e n t T o o l s 可以 支持 C C S 能够识别的任何 目标板， 包括 T J 公司 D S K E V M 板 和 用 户 自己 开 发 的 目标 D S P板 。 如 果 把 MATL AB L i n k f o r C C S D e v e l o p me n t T ool s与 Ma t h Wo r k s 公司和 T I 公司联合开发的另外一工具包 Emb e d d e d Ta r g e t f o r t h e TI I M S3 2 0 C2 0 0 0 DS P P l a t f o re1 配合使用， 则可 以直接 由 MA T L A B的 S i mu l i n k 模型生成 D S P的可执行代码， 即在集成 的、 统一 的 MA T 环境下可完成 D S P开发的整个过程 6。将 电子负载的模型和 S i mu l i n k里面的模块合理的组合， 通过实时工作站和 T i 的开发工具将 S i mu l i n k模型转 变为实时的 C代码， 下载到电子负载系统的 D S P板 上 ， 见 图 4 所示 。 C o n c e p tu a l D e s i s n 概念设计 + S i mu l in k 、C 2 O 0 o L 曲 调用C 2 0 0 0 库模块仿真 E mb e d d e dT a r lt f o r T l C2 0 0 0D S P T t C 2 0 0 0 , 式目标系统 n u li a k 模型 md R c a l - 罚n c Wk s h o p实时工作室 MA T L A BL in k妇 C CS l q m 篁 t T o o l s ( C C S L in k ) T I MA T L 的开发环境连接 c o d c S t d i o ( C C S ) DE 1 1 提供的的软件 集成开发环境 下筑、运行验证代码 图4 I 代码 自 动 生成开发流程 图 该实例的程序基于图 2和图 3的平台实现数字 P 1 D控制器， 程序的文件名是 * a s m。另外系统 配置 命令文件( * C ) 实现对程序存储空问和数据存储 空间的分配， 从该配置文件中可以看出该实例的存储 器资源和配置方法。一个实际的 D S P控制系统， 实时 性是一个重要的指标。该程序为了保证数字 P I D控 制的实时性和准确性 ， 在 A I ) 采样的中断响应子程序 中就调用 P I D控制算法程序， 立 即计算出控制输出量 并送到被控对象， 根据 T MS I F 28 1 2的性能、 机器时钟 周期和中断的延时， 可以计算出系统从采样到当前实 际输人值到输出控制量大约需要 4微秒， 这对于 8 0纳 - 2 4 4 计算机技术与发展 第2 O卷 秒一次的采样来说是足够的， 完全满足实时性的要求。 在中断子程序中实时调用 P I D控制算法的程序如下： A D C I N T I S R： ； 高优先级模式的A D C中断予程序 C L I S v l ； 抑制符号位扩展 L D P# 4； 指向用户变量区 L A R A R 2 ， #R E S U L T O； 把当前 A I ) 转换 的结果存储 到 AR 2中 MA R *， A R 2； 把 A R 2 设置为当前辅助寄存器 煅*， l 2； 由于 D s P内嵌 的 A D转换器是 1 2位的， 所 以左移 1 0位加载到 0 C高位 S A C HA D R E S U L T； 变量 A D R E S UL T存储 当前 A D转换 的结果 C A I J P I D C o n t r o l ； 调用数字 P I D控制子程序， 保证实时控 制 C U I N T M ； 开总中断 ， 因为一进中断就自动关闭总中断 R E T； 中断返回 3 试验结果 数字电子负载的功能除了完成作为负载的功能以 外， 还要实现测量的任务， 从测量功能上看， 要测量 3 个参数 ： 输出的直流电压、 直流电流和输出的纹波电 压， 这是 3 个性质完全不同的电信号。电子负载工作 模式选用恒压模式， 连接市售输出为 5 V 0 4 8 A直流 电源， 设定为 0 5 1 A， 0 3 2 A， 0 1 5 A吸取导入电流， 测 试电子负载的电流实时调节性能， 由图 4测试结果可 知： 调整负载电流时输出电压很稳定， 负载电流精度控 制在4 mA左右， 电流调节过程中电源输出电压的变化 很小， 保持在 5 V左右， 切换电流档位时出现的电压峰 值为 5 2 6 V， 仍在允许的范围内。采用数字电子负载 对负载电流进行数字化的实时控制调节， 可以根据电 源供应器的特性， 自动地调节和控制负载电流大小及 其上升厂 F降率 ， 以适应种类繁多的电源供应器， 不会 引起 电源供应器 的输出电压和输出电流的震荡 冲 击 7 ， 8 l 。 4 结束语 目前国内广泛使用的直流电子负载负载仪对负载 电流的调节和控制采用硬件模拟电路的方法， 调节和 控制的适应性和实时性差， 仅仅具有静态负载的测试 功能， 不能适应不同的电源供应器的具体情况。经试 验测试， 利用 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2作为控制器的电子负载， 从硬件上保证了P I D控制策略的实时性， 特别是适应 了负载的动态瞬变， 实现了在两个不同负载准位之间 的动态切换， 具有了动态负载的测试功能， 可以满足一 些较高要求和特殊测试的场合。 参考文献： 【 1 Z h a n gWa n f e n g D S P imp l e m e n t a t i o n 0 f p r e d i c t i v e c o n t r o l 8 t r - a t e g y f o r p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n J 】 A P E C ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 6 7 7 3 【 2 刘王 i ， 梁昔明 一种结合数值优化的P I D制器韵设计与 仿真【 J 计算机技术与发展 ， 2 o 0 7 ， 1 7 ( 4 ) ： 2 4 2 6 3 史增树， 张建红 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2在全数字开关电源中的应 用 J 现代电子技术， 2 0 0 6 ( 1 3 ) ： 9 7 9 9 【 4 T e x a s I n s t r u me n t s 1 1 垤 2 0 ) ( 2 8 l XS e r i a l P e r i p h e r a l I m e r a c e ( S P I ) R e f e r e n c e G u i d e M T e x a s ， US A： T I ， 2 0 0 6 5 张琴 嵌入式目标模块在D S P系统开发中的应用 J 华 中科技大学学报， 2 0 o 5 ( 2 ) ： 9 6 9 8 6 严杰， 王莉 ， 王志强 基于 Ma t l a b 的功率 MO S F E T建 模 J 电力电子技术 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 2 3 2 6 7 U s e r s G u i d e A g i l e n t T e c h n o l o g i e s D CE l e c t r o n i c L o a d s Mo d e l s N 3 3 0 4 5 A M U S A A g il e n t ， 2 0 0 5 8 洪贞启 N 3 3 0 5 A电