TMS320F280049C 学习笔记22 软件频率响应分析仪 Software Frequency Response Analyzer (SFRA) part 1 概述

本文对应[2]的前2章。

概述

SFRA是一个软件库，它使开发人员能够快速测量数控功率变换器的频率响应。SFRA库包含软件功能，可将频率注入控制回路，并使用C2000 MCU的片上模数转换器（ADC）测量系统的响应。该过程提供了主回路的频率响应特性、开环增益频率响应和闭环频率响应。用户指南介绍了库的软件界面，并列出了将库集成到项目中所需的步骤。运行SFRA示例项目的过程也记录在用户指南中。

Texas Instruments的软件频率响应分析仪（SFRA）库设计用于仅使用软件来分析数字控制的功率转换器的频率响应，不需要外部频率响应分析仪的。优化后的库可用于高频功率变换应用中，识别闭环功率变换器的主回路、闭环和开环增益特性，从而获得增益裕度、相位裕度和开环穿越频率等稳定性信息，评估控制回路的性能。

介绍

• H是被控主回路的传递函数；
• G是数字补偿器；
• GH是开环传函；
• CL是闭环传函，=GH/(1+GH)；
• r是瞬时设定值或参考值
• y是ADC反馈
• e是瞬时误差
• d是传感器噪声和扰动
• u是PWM占空比

闭环系统中补偿器的主要设计目标可以概括为：

• 确保系统稳定（例如，系统渐近跟踪参考）
• 系统提供干扰抑制以确保鲁棒运行
  
  系统是否满足目标可以通过了解开环传递函数(GH)来确定，如方程1和方程2所示。开环传递函数GH的Bode图经常用于此目的，而诸如增益裕度gain margin (GM)、相位裕度 phase margin (PM) 和开环穿越频率gain crossover frequency (Folg_cf) 等通常用于评价闭环功率变换器的稳定性和鲁棒性。

SFRA库可以通过软件实现对GH、GH/(1+GH)和H频率响应的测量。此数据可用于：

• 验证或提取主回路传函(H)；
• 设计闭环系统的补偿器(G)；
• 通过绘制GH或GH/(1+GH)的波特图，验证系统闭环性能。

由于GH和H的频率响应携带了主回路的信息，因此可以通过周期性的测量频率响应来评价功率级的健康状况。

特点

SFRA库的原理基于正弦注入，其中假设注入幅度对转换器的正常工作点仅造成非常小的偏差。SFRA库可以集成到功率转换器的控制代码中，[2]详细介绍了执行此操作的步骤。所有的GH，H和CL计算都是在MCU上完成的，并且其增益和相位响应的整个数列都存储在控制器上。为了实现可视化，该工具还提供了一个GUI。该图形用户界面可用于启动频率响应扫描，观察SFRA扫描的进度，并分析FRA扫描后生成的GH、H和CL图。
一旦集成到代码中，SFRA库就可以用来设计或微调控制器。为此，使用SFRA库的典型流程是：

1. 在SFRA GUI中以开环方式启动SFRA扫描，输出数据到CSV文件中，以逗号分隔。该信息可用于识别在SFRA扫描的稳态运行点上的主回路模型。

也可选输出到excel文件。

2. 该SFRA CSV数据可直接用于Compensation Designer设计出满足系统要求的补偿器。（或者，如果从GUI中使用Excel文件选项，则可以使用此包提供的MATLAB脚本将数据读入MATLAB，然后将响应曲线拟合到传输函数中，接下来Sisotool可以用来设计补偿器）。
3. 新的补偿器值可以从Compensation Designer的GUI或MATLAB复制到CCS工程中。
4. 将新系数的代码编译并加载到微控制器中。SFRA算法（步骤1）可以通过测量开环增益GH（在许多文献中也称为环路增益）来重新运行以验证闭环系统的性能。

总之，TI的SFRA和Compensation Designer为设计人员提供了一种系统地调试电源的方法，使功率变换器的频率响应分析能够快速简便，无需外部连接和设备，如下图所示。由于不使用外部连接，因此可以重复运行SFRA以定期评估电源转换器的运行状况并获取诊断信息。

文件结构

该软件隶属于C2000WareDigitalPower-SDK，相关文档可以在C:\ti\c2000\C2000Ware_DigitalPower_SDK_3_00_00_00\libraries\sfra 找到，子目录结构如表1所示。

参考文献

1. 用SFRA和Compensation Designer让控制环路设计更简单
2. C2000™ Software Frequency Response Analyzer (SFRA) Library and Compensation Designer in SDK Framework
3. TI Designs C2000™ Digital Power BoosterPack
4. Designing a TMS320F280x Based Digitally Controlled DC-DC Switching Power Supply
5. Dual-Axis Motor Control Using FCL and SFRA On a Single C2000™ MCU