基于PID算法的高精度數字化電源設計

　　摘要：提出了一種基于PID算法的高精度數字化電源設計方案。采用DSP和FPGA技術來做數字化PID調節，通過數字化PID算法產生PWM波來控制斬波器，達到控制主回路。從而取代傳統的模擬PID調節器，使電路更簡單，精度更高，通用性更強。

　　引言

　　由于數字化器件的迅速發展，有效推動了數字化電源系統的發展，對于一個簡單的、固定功能的應用，模擬電源能保持較大的成本競爭力。但是對于要求靈活性或者較復雜功能的電源，數字電源不僅具有低成本競爭力并且在許多情況下可能是唯一的選擇。目前在國內，采用FPGA+DSP組合同時基于PID算法來設計數字化電源還是比較少見的，這也是本文把其作為主要研究對象的原因。

　　本文采用FPGA控制18位的高速高精度的AD轉換器AD7678采集數字電源的電壓，同時利用SPI通信協議與DSP進行數據傳遞，在后端DSP通過PID算法產生PWM波來控制斬波器，達到控制主回路。從而取代傳統的模擬PID調節器。

　　系統結構設計

　　硬件的總體結構主要分為：外圍電路部分、FPGA控制部分和DSP處理部分。

　　設計思路：DSP是整個系統的核心部分，完成PID算法的處理、PWM信號的給出、發同步信號給FPGA、以及程序的調度等等。由于整個系統是閉環控制系統，要求采樣速率和精度相當高。本系統采用FPGA來控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用DSP資源的問題，減輕了DSP的負擔，DSP可以將讀到的ADC信息做PID調節，從而產生PWM波來控制開關電路的開關速率，從而達到閉環控制的目的。

　　系統硬件平臺

　　　　外圍電路部分

　　　　針對不同的數字電源，信號調理電路是不一樣的，本次設計是對小于5V的電壓信號進行采集，如果高于5V要采用分壓電路 [5] 。由于在電壓信號中存在大量的高頻信號(干擾)，首先要對電壓進行濾波處理，經典的濾波電路就是用電阻、電感、電容組成。如果信號比較小，還要經過放大等。本次設計采用差分電路對輸入信號進行調理，有利于ADC對輸入信號的高精度采集，還可以對ADC起保護作用，也是本次設計的優點之一，具體電路如圖2所示。