采用Saber仿真的数字控制器建摸

Saber是目前为止在电子电路设计领域中最为常见，也是功能最为强大的仿真软件。很多设计者都利用其在最终产品完成之前进行一定程度的方针模拟，这样不仅节约了时间，还能最大程度的减少因为设计错误而导致的器件成本浪费。在本文当中，小编将为大家介绍在使用Saber时如何对数字控制器进行建模。

峰值电流型控制方式

图1 开关电源系统结构图

图2 系统控制数学模型

开关电源功率开关器件导通电流等内部变量的瞬态值具有相对独立性，只有直接控制电流瞬态峰值，才能有效快速地保护功率开关器件，同时克服全桥变换器的偏磁问题，提高其动态反应速度和可靠性，因此，本系统采用峰值电流控制模式。峰值电流型控制模式开关电源的系统结构图见图1所示，系统控制数学模型见图2所示。

PI调节器建模

PI调节是控制系统中最成熟，应用范围最广的一种调节方式，离散型PI控制器表达式为：

采用峰值电流模式控制的系统，当占空比大于0.5时，会产生不稳定现象，采用斜坡补偿可以改善系统性能，增加系统稳定性。依据其他资料，在控制工程实践中，斜坡补偿电压的上升率一般设计为输出电感电流检测信号下降率折算值的70%~80%。

式（1）中：k为采样序号；U（k）为第K次采样时PI调节器输出的偏移量；Kp为PI调节器的比例系数；T为采样周期；Ti为PI调节器积分时间；E（k）为第k次采样的偏差值。由式（1）可推出其离散PI增量式为：

式（2）中：U（k-1）为第k-1次采样时PI调节器输出的偏移量；E（k-1）为第k-1次采样的偏差值；Ki为PI调节器的积分参数。

PI调节器模型见图3所示，其实现过程为：

AD电压采样环节由一个模数转换接口“a2z”实现，采样值为Z0（k），电压基准Zref由给定信号模块“zdata”提供，两者的差值为误差项E（k）；利用放大模块“zamp”将偏差值E（k）放大积分系数Ki倍，可得积分修正量ΔI（k）；将偏差值E（k）通过减法模块“zsub”减去由延迟模块“zdelay”所保持的第k-1次的偏差值E（k-1），再用放大模块将上述差值放大比例参数Kp倍，可得比例矫正值为ΔP（k）；最后由加法模块“zadd”将积分修正量ΔI（k），比例修正量ΔP（k），以及由延迟模块所保持的第k-1次结果U（k-1）相加可得第K次采样结果U（k）。

图3 峰值电流型控制原理图

电流环控制采用P调节，其实现过程为：霍尔电流传感器采样之后，由模数转换接口将采样值转换为离散信号，经过一定倍数的放大之后，进行斜坡补偿。斜坡补偿环节由"z_pulse"模块依据前述补偿法则产生一定频率一定斜率的三角波实现。

经过斜坡补偿的电流信号与电压PI调节产生的结果相比较得到最终的误差调整值，最后由比较模块"zcmp"构成饱和环节，用于防止输出的移相值超出所能达到的移相范围。

移相全桥PWM波形调制

图4 移相原理

Saber和Simulink之间可以实现协同仿真，这样可以发挥Simulink在软件算法方面的优势，通过自定义S函数产生移相PWM信号。以Saber为主机，调用Simulink，两者以固定时间步长交换数据。

图4所示为移相PWM脉冲实现原理图。其主要原理为：当所对应的前驱动波形跳变为高时，由数字PI控制器得出的移相值U（k）在远小于周期的定时间减去一定常数k，当差值为零时产生一对与所对应前桥臂驱动等宽的脉冲波，图中所示t即为移相时间。

图5 移相PWM调制模型

图5所示为实现移相过程的Saber模型，由“z_pulse”模块产生固定频率、占空比为50%的PWM信号，该信号与系统超前臂的驱动时序一致。图中“switchpwm1”模块相当于一个多路开关，其工作过程为：在超前臂脉冲由低变高时，接通输入端，采样反馈的偏移量，然后立刻脉冲模块由高变低接通有离散保持作用的延时模块“zdelay”，最后通过减法模块“zsub”减去固定常数k（由“z_dc”模块产生），经过延时模块所设定的保持时间t后，所减结果再减去常数k，相减后的结果传送到移相模块“shiftpwm1”。

“switchpwm1”和“shiftpwm1”两个模块都是通过Saber与Simulink协同工作的，它们通过调用S2fuctiON来实现具体功能。将S函数样本文件中的sys=mdlOutputs（t，x，u）作简单修改即可。

在看过本文之后，大家是否对Saber仿真当中的数字控制器建模有了进一步的了解呢？本文对于数字控制器的建模介绍的非常详细，大家如果感兴趣，可根据文中给出的步骤与原理自行进行数字控制器建模的搭建，温习文中知识的同时也能增强动手能力，关于主电路的搭建方法，可点击下方的拓展阅读来了解。

基于Saber的数字全桥开关主电路模拟