用SFRA和Compensation Designer让控制环路设计更简单

1、什么是SFRA和Compensation Designer?

  • SFRA (Software Frequency Response Analyzer)是TI开发用于系统频率响应分析的软件库。可识别高频功率系统,分析系统闭合环路的开环特性,从而用户可根据得到的幅、相频率特性曲线来评估系统性能。
  • Compensation Designer与SFRA配合使用,用户可设计并优化所选补偿器的参数,界面会显示Plant, Open Loop 和Compensator的频率响应曲线

2、用SFRA和Compensation Designer设计控制器参数流程

  • 使系统开环工作,用SFRA扫频收集数据,界面会显示系统幅频相频特性曲线;
  • 根据SFRA分析结果,用Compensation Designer选择补偿器类型并设计相关参数,并根据界面显示的补偿器频率曲线,优化相关参数,直至得到合理的补偿曲线。
  • 将由Compensation Designer设计的补偿器参数添加到CCS工程中,编译并下载到C2000芯片中。
  • 使系统闭环工作,用SFRA再次扫频收集数据,这时SFRA界面显示的为闭合环路系统的开环传递函数的频率响应特性曲线。观察频率曲线是否满足要求,若不满足,可重复b, c, d步骤,优化补偿器参数,直至系统环路满足设计要求。

图1. 控制器参数设计流程图

3、SFRA模块介绍

假设一个数字控制系统如图2所示,虚线上部分为系统模拟区域,下部分为系统数字控制区域。其中:

  • H为系统传递函数
  • G为补偿器传递函数
  • r为控制系统的瞬时参考信号
  • y为ADC采样的反馈信号
  • e为瞬时误差信号
  • d为传感噪声和干扰信号
  • u为PWM的占空比值

图2. 数字控制电路系统

 闭环系统中补偿器设计需满足的关键目标是:

  • 输出变量跟随给定参考值,确保系统是稳定

  • 抑制干扰,保证系统有足够鲁棒性

所以,通常由开环传递函数GH可分析系统是否满足要求。在开环传递函数GH绘制的波特图中,增益裕度、相位裕度和截止频率是用于判断系统闭环稳定性和鲁棒性的关键参数。

SFRA软件可测试GH, GH/(1+GH)和H的频率响应,从而

  • 验证或提取系统模型(H)
  • 设计闭环系统的补偿器(G)
  • 通过绘制GH或GH/(1+GH)波特图,验证系统闭环性能

SFRA是利用正弦小信号注入原理,如图3,将小信号注入控制器的参考值中,随后经控制器计算和系统平台得到环路反馈输出,而获得系统频率响应特性。MCU会完成对GH, H或GH/(1+GH)的计算和数据存储,GUI提供可视化界面,如图4所示,其中包括扫频启动按钮,扫频进度显示条,扫频结束后绘制的波特图。

图3. SFRA工作原理图

图4. SFRA界面内容

4、Compensation Designer模块介绍

Compensation Designer独立于SFRA,打开方式有两种,双击“CompDesigner.exe”文件或双击Solution Adapter Page中的Compensation Designer图标。

 图5. Compensation Designer界面

如图5,使用Compensation Designer时,用户需输入控制环路的工作频率(kHz),选择控制器类型如DCL_PI, DCL_DF22等,设计控制器比例系数、零极点位置,则界面下方会显示所设计补偿器的幅频相频曲线,右侧显示用于CCS中的补偿器系数。若所设计的补偿器频率曲线满足系统要求,则将右侧参数添加到CCS中,如前所述,编译下载运行工程,用SFRA测试系统环路特性,如此重复多次,直至系统环路符合要求。

表1. Compensation Designer 中的补偿器类型

注:SFRA和Compensation Designer在CCS中代码植入步骤及参考例程详见

        http://www.tij.co.jp/jp/lit/ug/spruik4a/spruik4a.pdf