Pid算法在闭环dc-dc中的应用

时间：2019.10.25
至此，已经初步完成闭环pid算法应用的仿真。以下对本次工作作关键性笔记记录。

PART1：项目简述
第一， 项目内容与试验目的。
项目内容：搭建硬件BUCK平台（开环，平台上包括栅极驱动电路），使用fpga完成数据采集和数据处理，设计一个fpga数控电源。本次设计，采用的adc型号为ad9200。

试验目的：
1】 在fpga开发平台上成功运行pid算法；
2】 熟悉数字设计中的小数处理方式；
3】 利用fpga平台完成闭环信号处理；

PART2：方案设计
这是一个闭环数模混合系统，fpga主要实现数据获取和处理，并输出控制pwm波，容易得到系统的控制框图如下：

其中，灰色方框为在fpga中处理。整个控制框图很清晰，输入目标输出电压，通过取样输出值并反馈，两者的误差值进行pid处理得到控制量输出，最后送给执行环节生成，目标pwm波，当系统由于干扰失稳时，由于闭环控制，又会快速将系统拉回预定轨道运行。

那么，要实现上述系统，使用数字设计，需要的主要模块包括：pid模块、adc驱动模块、pwm发生器模块。除此之外，整个系统加入了加法器、乘法器以及打拍器模块。

NOTE：具体每个子模块的设计这本文中不做具体讲解，会放在其他博文中单独介绍。

再介绍之前，先给出系统综合处的RTL试图如下：

本系统涉及到信号处理，罗列出系统中相关的数据关系：

其中，R1=1.1K，R2=9.1K，VIN=16V为输入电压，Duty表示占空比，Vfb为分压电阻中点电压，Vadc为adc模块采集的电压值（因为使用的adc模块前端添置了相关信号处理电路，限定了adc模块的采集范围在0-2V，其输出数据位宽为8bit）。由此可见，整个系统的运算关系并不复杂，但注意到，上述数据中包含小数，所以说整个系统就是浮点数（小数）系统，那么自然要涉及到小数处理方式。其次，因为包含pid运算，所以又是有符号数系统。即本系统是一个有符号小数闭环系统。

由上述RTL试图知，先由ADC模块获取到输出电压值，但这其中需要作电压转换（式1可知），得到实际电压值后，送入pid模块进行运算，进而得到控制量输出，本设计将控制量直接作为映射到duty上，即利用duty=duty0+ctrl_out，duty0是上一周期的占空比，经过一次pid运算后，叠加上ctrl_out得到新的占空比，再利用duty0=duty如此迭代，知道整个系统稳定。

谈小数处理，之前的一篇博文中已经做了简单介绍，这里采用的是Q12定点数表示法，则实际数据和建模中的数据，就是一个2^12（4096倍）的关系。建模中使用的加法器和乘法器模块，均是配套有符号数操作。
有关加法器和乘法器，会在相关博文中介绍。这里不做过多介绍。
再谈pid参数整定，这里查阅了相关文章，具体可参见如下博客：https://blog.csdn.net/zyboy2000/article/details/9418257/

本次设计工作在modelsim下作了仿真，最终系统的仿真波形如下：

从中可以看到，adc_reg为采集到的电压值（即上文中说的Vadc），具体地，本次设计中使用的adc模块，当输入为0时，adc采集到电压为1V，所以实际中，当输出Vout=5V时，转换到adc采集到的电压值约为1.107843V，转换为8bit数据为141。上述仿真为目标输入为8192（2*4096，即目标电压2V），经过上述系统之后，adc采集到的电压约为134，因为Vout每变化1V，映射到adc采集的电压值，就变化128*(1.1/51)=2.76，则输出Vout=2V时，仿真结果6与实际2.76*2=5.52相近。此外，由adc_reg的波形可知，曲线的变化趋势符合pid调节规律，最终稳定下来能够反映实际BUCK电路的输出情况。

附：本设计的主要目的在于pid算法的应用以及有符号小数的数据处理方式，这在信号处理中是十分重要，接下来，会将本设计的代码下载到fpga开发板中进行实际验证。