1. 引言

隨著數字信號處理技術的飛速發展，數字控制由于其控制理論與實施手段的不斷完善，并且具有高度集成化控制電路、精確的控制精度，以及穩定的工作性能、良好的設計沿繼性等優點，如今已成為電力電子學的一個重要研究方向。基于數字控制的電力電子裝置具有較好的系統性能并已得到了廣泛應用；而且數字控制也是最終實現電源模塊化、集成化、數字化、綠色化的有效手段。

為了高效快捷地完成電源系統的設計，計算機仿真是重要方法之一。計算機仿真指的是利用計算機軟件建立虛擬模型對所研究的系統進行實驗的過程。^[1]由于不受實際的實驗條件的制約，因此大大節省了硬件耗費，縮短了開發周期。通過仿真可以很方便地進行電路設計，原理分析，控制方案選擇以及參數整定等等。在對數字控制電源系統進行仿真時，由于數字控制系統的閉環是通過對數字處理器編程實現的，而數字控制方案大多是由模擬方法演變而來，因此，通常的方法是將數字控制方案還原成模擬方案，再采取模擬器件搭建閉環系統，完成閉環仿真。但是數字控制系統的仿真不同于模擬系統的仿真，首先，數字處理器對數據的處理是離散化的；其次，數字處理器并非實時的控制，而是有其自己的工作節拍；另外，模數接口部分對仿真結果具有一定程度的影響，因此只有認清數字控制與模擬控制二者之間的差別，在建模過程中，使模型與實際系統盡量接近，才可能取得滿意的效果。

本文詳細分析了數字控制系統的工作特點，并提出一種適用于數字控制電源系統的建模仿真方法。由于該仿真模型更貼近于實際的數字控制系統，因此可以用于數字系統的原理分析和參數整定等，具有重要的參考價值。

2. 數字控制電源系統的原理與特點

對于一個典型的數字信號處理系統，通常都是采用如圖 1所示的系統結構。在自然界中大量的信號是模擬信號，所以數字信號處理系統一般輸入為模擬信號x_a(t)；模擬信號x_a(t)經過抽樣處理得到離散信號x_a(n)，再經A/D量化得數字信號x(n)，輸入到數字處理單元；經數字處理后輸入數字信號x(n)變換成輸出數字信號y(n)；輸出數字信號y(n)再經過D/A變換和平滑濾波得到模擬信號y_a(t)輸出。

圖 1　典型的數字信號處理系統的系統結構

數字控制電源系統一般由兩部分組成，一部分為數字處理器，另一部分為被控對象。數字處理器為離散部分，被控對象為連續部分，或者分別稱為數字部分和模擬部分。^[2]若要實現數字處理器對被控對象的控制，首先必須通過處理器內部或外部擴展的AD功能模塊以一定的采樣頻率對系統的模擬輸出量進行采樣，將該連續信號轉化為離散的數字信號，再經過量化后轉變為數字量，用于處理器內部的運算。而模擬控制系統的采樣是實時的，連續的。在數據處理上，數字處理器對數據的處理是離散化的，數字處理器僅對各離散的采樣值進行處理，而連續系統是基于連續信號的。隨著電源功能的逐步完善，數字處理器除了完成控制功能以外，還要能夠實現保護、顯示以及遠程監控等各種功能。隨著功能的增多，所需要的處理時間就會相應地增長，因此處理器的核心算法的處理頻率受到一定的限制，一般核心算法的處理頻率會小于電源的開關頻率，這使得數字控制難以做到實時控制。此外，為了實現對連續被控對象的控制，處理器內部計算結果的離散化輸出必須轉化為連續信號。對于數字控制開關電源系統，數字處理器的輸出環節一般為內部或外部擴展的PWM功能模塊，它具有零階保持的功能，即在下一次輸出更新之前始終保持本次輸出值。

3. 數字控制電源系統的仿真模型設計

3.1 離散化的仿真處理方法

由于數字控制系統由數字處理器和控制對象組成，而它們分別屬于數字部分和模擬部分，因此要對這兩部分分別建立仿真模型，然后再結合在一起進行仿真。^[2]

模擬部分的建模較為簡單，只需用仿真軟件中提供的模擬器件搭建好電路即可。數字控制部分相對而言復雜一些，需要考慮數模接口和數據處理兩部分。其中數模接口分為AD采樣和DA轉換，它們實現了功率部分和控制部分之間的接口。在對控制系統進行分析時，可以把AD采樣看成一個理想開關與一個比例項的串聯，它實現了連續域到離散域的轉換，在仿真中可以由模數轉換接口“a2z”來實現。DA轉換具有零階保持功能，完成離散域到連續域的轉換。對于數字控制開關電源系統，數模轉換常常由數字處理器的PWM功能模塊代替。因此可以根據數字處理器內部PWM信號產生的機理，將計算得到控制量與一個固定開關頻率的三角載波相交截，從而得到PWM驅動信號。^[3]最終可以得到數字控制電源的控制系統框圖，如圖2所示。其中Hm(s)是采樣電路的等效比例環節；Vref是數字處理器內部給定的電壓基準；S1是等效開關，完成連續到離散的轉換；Gc(s)是數字處理環節，這里采用PI算法；zoh是PWM輸出環節等效的零階保持器；Gud(s)是功率電路的輸出電壓與占空比之間的控制傳遞函數。