基于模糊PID的两路交错BOOST变换器Simulink仿真及代码自动生成（下）F280025实物测试部分

简介：设计两路交错BOOST变换电路，搭建Simulink仿真模型，并设计控制算法（常规PID与模糊控制PID）。基于德州仪器C2000 TMS320F280025单片机使用Matlab Code Generation Tools进行编程与实物测试。
电气系统建模与实践课程设计 福州大学 自动化系 黄宸贞 2024/3/28

指导教师：蔡逢煌 陈丹

软件环境：
Matlab R2023b
Simulink 23.2
TI controlSUITE 3.4.9
Code Composer Studio 12.2.0.00009
TI C2000Ware 4_03_00_00

硬件环境：
AMD Ryzen 9 8945HS（仿真模型）
C2000 TMS320F280025C（代码生成模型）

测试目标：输入9V，实现9~18V升压功能。

测试实物：
可重构全桥变换器主板
可重构全桥变换器主板
单片机控制板
单片机控制板

上、电路仿真部分

见前一篇博客
基于模糊pid的两路交错boost变换器Simulink仿真及代码自动生成（上）电路仿真部分

下、代码生成实物测试部分

4. 环境配置与实物测试

*4.1安装硬件支持包

因为f280025是2021年发布的一款mcu，故只支持使用2021年以后的Matlab版本进行自动生成代码开发。使用前需要安装C2000硬件支持包，通过如下链接下载C2000硬件支持包：

C2000硬件支持包

下载完成后双击进行安装与配置。（需要登录MathWorks账号）

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*Matlab R2023内置了C2000附加功能包，可略过该步骤。

*4.2配置硬件支持包

在C2000硬件支持包安装完成的提示窗口点击“立即设置”。也可在“管理附加功能”页面找到该硬件支持包进行配置。

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*Matlab R2023后打开硬件设置页面的方式为：在Matlab命令行窗口输入“c2000setup”并回车。

在出现的硬件设置窗口内勾选TI F28002x系列MCUs。（其他系列可根据自身需要一并选择）。
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安装代码生成工具，建议自动安装，如果选择手动安装，后续按要求输入并验证安装路径即可。
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安装德州仪器公司的软件开发环境，如果未检测到下列所需软件，Download处会给出推荐版本的下载安装链接。也可自行提前安装，安装的软件Version高于推荐版本即可（Download处会提示“Upgrade not required”）。如果电脑中已经安装了所需软件，但版本老旧无法使用，无需卸载原有软件，直接安装新版本即可，两版本可共存。
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验证前述安装的各项软件的路径。
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如出现如下警报，仅代表软件版本未经测试，可忽略该警报直接进入下一步。（但仍建议使用推荐版本）
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配置完成。

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4.3代码生成模型配置

打开Simulink，创建空白模型，在库浏览器中打开Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000-F28002x或C2000 Microcontroller Blockset-F28002x，即可使用对应单片机功能的模块。
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打开模型设置-硬件实现，选择Hardware board为TI F28002x，设备供应商与设备类型会自动更改为德州仪器与C2000。展开Target hardware resources详细信息，选择Device Name为F280025C。在这里插入图片描述

打开模型设置-求解器，选择求解器类型为定步长、离散。展开求解器详细信息，输入步长为1e-6。（部分电脑在该步长下无法烧录程序，可将步长改为1e-5）
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打开模型设置-代码生成-优化，选择可重用子系统输出的传递方式为结构体引用。
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打开模型设置-代码生成-报告，勾选“创建代码生成报告”与“自动打开报告”。
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完成后，Simulink的顶部Dock会增加一栏“HARDWARE”。
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使用GPIO DO模块，选择引脚为GPIO24或GPIO32，与输入的脉冲信号连接。
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检查单片机控制板的R97处是否短接，此处未短接的单片机控制板无法烧录程序（图为已使用0欧电阻短接）。
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将下载器与单片机控制板正确连接，控制板LED1处发出蓝色灯光。
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点击“编译、部署和启动”。等待代码生成、编译并烧录后，弹出代码生成报告，控制板LED2处闪烁（因为使用了脉冲信号使LED2对应IO高低电平交替）。说明模型配置正确，代码成功生成并烧录成功，可进行下一步开发。

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4.4开环控制代码生成模型

硬件电路由开关管Q1、Q2、Q3、Q4构成全桥，其中Q1/Q3构成一组半桥，Q2/Q4组构成另一组半桥，驱动信号Q1G/Q3G，Q2G/Q4G分别由DSP发出的PWM1A/PWM1B和PWM2A/PWM2B信号经驱动电路进行功率放大后生成。即由 PWM1A信号控制Q1的开关动作，由 PWM1B 信号控制Q3的开关动作，由PWM2A信号控制Q2的开关动作，由PWM2B信号控制Q4的开关动作。

选取ePWM模块（注意为F28002x/003x/001x），双击模块进入配置。

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打开General详情页，选择Module为ePWM1。

输入Timer period为适合的PWM计数周期，此处以1200为例。因前文电路仿真使用等腰三角形作为载波波形，故将Counting mode设为增减计数模式（在计数器比较点与动作设置正确的前提下，使用其他计数模式同样可行）。

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打开ePWMB（buck电路为ePWMA）详情页，将ePWM1B的动作设置为ZERO置位，CAU复位，CAD置位，PRD复位。

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打开Counter Compare详情页，选择Specify CMPA via类型为输入端口，CMPA initial value初始化值为0，可见ePWM模块的外观多了一项输入。

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将需要的占空比乘以Timer period后接入WA（以boost电路升压至18V为例，占空比为0.5）。
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该桥式变换器电路中，左右半桥分别由1颗EG3012S进行驱动，其中上管单片机信号接入HIN，下管单片机信号接入LIN，HO驱动上管门极、LO驱动下管门极。
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根据DCDC变换器的原理，全桥电路的上管（Q1、Q2）在boost电路中充当二极管，全桥电路的下管（Q3、Q4）在buck电路中充当二极管。上管与下管不能同时开通。可参考以下方法使上管关断（buck电路为下管关断）或使上下管互补（其实MOS驱动芯片EG3012S自带闭锁功能保护，上下两路本就无法同时使能）。

方法1：打开ePWMA详情页（buck电路为ePWMB），取消使能ePWMA。并将ePWMA对应的引脚置0（参考原理图寻找PWM模块对应引脚）。

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打开Deadband unit详情页，勾选ePWMB（buck电路为ePWMA）死区生效，选择FED为ePWMxB（buck电路为ePWMxA），死区值为100（根据PWM的计数周期选择合适的死区值）。

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此时烧录程序，将单片机控制板插入全桥变换器主板，将示波器两个通道的探针分别勾在Q1P与Q3P测试点。可见Q3P对应通道出现方波，Q1P对应通道无电平（buck电路现象相反）。

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方法2：打开ePWMA详情页（buck电路为ePWMB），将其动作设置为与ePWMB互补。
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打开Deadband unit详情页，勾选ePWMA与ePWMB死区生效，选择Deadband polarity为Active high complementary(AHC)。死区值为100（根据PWM的计数周期选择合适的死区值）。

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此时烧录程序，将单片机控制板插入全桥变换器主板，将示波器两个通道的探针分别勾在Q1P与Q3P测试点。可见两通道出现互补方波。

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此时已完成对开关管Q1与Q3的设置，对照上述设置方式依葫芦画瓢，设置开关管Q2与Q4（ePWM2模块）并连接输入。

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完成ePWM2模块的参数设置后，因交错电路的两相需具有相位差，还需对ePWM2进行移相。

当ePWM1的时基计数到PRD时发出同步脉冲，此时，ePWM2接收到同步脉冲后将相位寄存器TBPHS中的值加载到时基计数器TBCTR中。也就是说，当ePWM1计数至PRD时，ePWM2此时从TBPHS寄存器中的值开始计数。因此，ePWM1和ePWM2实现了移相，改变TBPHS寄存器中的值可以改变移相控制的移相角。

打开ePWM1的General详情页，展开Synchronization output(SYNCO)，勾选Enable the counter equals to zero (CTR=ZERO) event to set the SYNCO signal。选择Peripheral synchronization event (PWMSYNCSEL)为Counter equals to periods(CTR=PRD)，在计时器为PRD时发出同步信号。
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打开ePWM2的General详情页，选择Synchronization action为Set counter to phase value specifid via dialog。此时下方会新增Counting direction after phase synchronization与Phase offset value (TBPHS)两个配置项，将Counting direction after phase synchronization设为Count down after sync，将Phase offset value (TBPHS)设为Timer period的一半（前文以1200为例，故此处为600）。

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此时烧录程序，将示波器两个通道的探针分别勾在Q3P与Q4P测试点，负端夹于GND测试点，可见两通道的波形相同，相位相差180。

将直流电源接入电路输入端，将示波器两个通道的探针分别勾在Q3G与Q4G测试点，负端夹于Q3S与Q4S测试点。（测试buck电路时，不可使用非隔离探头负端同时接于Q1S与Q2S测试点，否则会造成两片驱动悬浮地短路）。可见Q3P与Q4P的波形经驱动放大功率后控制开关管Q3、Q4门极，将电压表接于电路输出端，测得电压经boost电路升压至16.78V，符合电路仿真结果（须注意驱动芯片是否成功将G端PWM幅值放大至11V以上，否则无法控制开关管门极）。

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4.5经典PID控制代码生成模型

参照开环方法配置ePWM模块，将模块输入WA由固定占空比改为PID控制器，PID控制器参数同上文电路仿真。

PID的输出还需进行限幅，经电路仿真测试与实物测试，该boost电路在占空比超过0.8后易失效，可将限幅上限设定于0.7~0.8间。

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PID控制器使用反馈进行调节，boost电路使用Vin端子作为输出，对其进行采样作为反馈。

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由电路原理图可知，Vin端子采样电路对应ADC引脚为A15，并可计算电压实际值与采样电路转换后的电压值之间关系。

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则ADC输出值转换为实际电压值的关系式为：V=ADCResult*3.3/4096/0.05916。如图所示设置Simulink模型。

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模型设置完成后烧录程序并接入9V直流电源，依照前述方法测试Q3P、Q4P、Q3G、Q4G等各处波形，并使用电压表测量电路输出。测得电压经boost电路升压至17.59V，符合电路仿真结果。

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4.6模糊PID控制代码生成模型

将经典PID控制模型中的PID模块改为电路仿真中已打包好Fuzzy_pid子系统，重复前述测试。测得电压经boost电路升压至18.16V，符合电路仿真结果。

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4.7结论

通过上述仿真与实物测试，可认为使用模糊PID控制的交错boost变换器具有更加优异的性能。

5. 其他重要问题

5.1 Boost电路的输入端滤波电容

需要自行在输入端并联大于1000uF的电容。
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5.2 Buck电路的采样方法

全桥变换器主板Vout端具有差分采样与直接采样两种采样方式，差分采样是为DCAC电路采用，DCDC电路应使用直接采样，ADC通道选择A11或A5。

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5.3 CCS调试方法

烧录程序至单片机控制板后，在诊断查看器中找到Open project in Code Composer Studio超链接并点击。

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在CCS中打开工程后，重新编译并烧录程序。

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随后在debug界面，将所需实时调试的结构体添加至Expressions，即可在程序运行过程中实时查看（Simulink自动生成工程的函数接口可于代码生成报告中查看）。

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5.4同时测量上下管波形

当运行过程中需要同时测量上下管（以Q2与Q4为例）驱动波形时，不能同时使用非隔离探头测量，非隔离探头的负端在示波器侧是短接一起的，会造成上管的S极和下管的S极在示波器侧短路，损坏MOSFET。此时下管使用非隔离探头，上管应使用隔离探头。即用非隔离探头的负端接Q4S，正端接Q4G，然后再用隔离探头的负端接Q2S，正端接Q2G，便可同时测量出Q2和Q4的驱动波形。

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5.5全桥电路共地

使用全桥变换器电路板前，应使用跳线帽将5、6、7、8脚短接，使电路两端共地。

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5.6工作路径

使用Matlab Code Generation Tools时，所有路径（包括MATLAB的安装路径、Simulink模型保存路径、Ti开发环境安装路径）均不得包括空格（老版本MATLAB不能识别空格的遗留问题，会导致某些场合下MATLAB解析的路径错误或无法解析）与中文。

Simulink模型的保存路径还应添加至MATLAB工作路径中。
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相关链接

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参考文献

[1] 蔡逢煌，王武，江加辉. 微控制器原理及应用——基于TI C2000实时微控制器[M]. 北京:机械工业出版社, 2022.

[2] 王兆安，刘进军. 电力电子技术（第5版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2021.

[3] 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真[M]. 北京:电子工业出版社, 2016.

[4] 邓孝祥,刘钰,张伟杰.双闭环BOOST变换器系统模糊PID控制[J].黑龙江电力,2021,43(03):246-250.DOI:10.13625.

[5] CSDN@h(z)h.交错式升压DC-DC转换器(boost).[EB/OL].(2023-03-03)[2024-03-14]. https://blog.csdn.net/apple_51729737/article/details/129326020.

[6] 倪刚,金辉宇,兰维瑶. 基于Ziegler-Nichols规则的一阶线性自抗扰控制参数整定[C]//中国自动化学会控制理论专业委员会（Technical Committee on Control Theory, Chinese Association of Automation）,中国自动化学会（Chinese Association of Automation）,中国系统工程学会（Systems Engineering Society of China).第三十九届中国控制会议论文集（7）.2020:5.DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.039671.

[7] 李晓丹. 模糊PID控制器的设计研究[D].天津大学,2006.

posted @ 2024-08-11 11:50  荔枝气泡水Lychee  阅读(85)  评论(0)  编辑  收藏  举报