基于模型设计的半导体激光器电源控制系统.pdf

第39卷第5期2023年10月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.5Oct.2023基于模型设计的半导体激光器电源控制系统窦垚1，江海河2*（1.安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230009；2.中国科学院 合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所，安徽 合肥 230031）摘要：针对传统半导体激光器电源控制系统中，人工编写软件代码与硬件电路分开设计和测试，存在的开发周期冗长、代码不规范、关联性不强等问题，采用模型设计的方法替代传统人工软件编程。首先通过MATLAB/Simulink进行模型设计和系统仿真，使用DSP 28335作为控制芯片，分层设计环路控制建立离散闭环模型，然后对控制部分进行软硬件在环测试，搭建代码模型和配置参数，使用Simulink自动生成代码，编译后下载到DSP控制器。实验结果表明：使用模型设计可以极大地缩短半导体激光器电源控制系统的开发周期，避免了人工编写软件代码的不规范问题，加强了开发过程中软硬件的关联性，具有较高的工程应用价值。关键词：电源控制；模型设计；Simulink；DSP中图分类号：TN248.4文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.05.004常规的开发半导体激光器电源控制系统的流程主要是单线式流程1，根据设计要求，软硬件各自制定设计方案。若软硬件联调过程中出现错误，彼此又回到所设计的部分重新测试与验证，造成开发过程中软硬件关联性不强。最为重要的问题是，设计要求的变更以及设计参数模糊化导致代码的复杂度和规模倍增2-3。为此，提出一种V字模式开发方法代替人工编程开发控制系统，主要包括系统定义、结构设计、快速原型、自动生成代码、软硬件在环测试、功能测试、现场测试七个环节4。根据需求进行结构设计搭建模型，后面任一环节出现问题都可以在模型基础上修改，不需要软硬件分别测试，大幅度地提高了工作效率5-6。近年来，随着电控系统技术的快速发展，这种基于模型设计开发控制系统的方法逐步得到使用和推广，特别是在汽车制造7、太阳能光伏、航空航天等领域8-9。1 电源控制系统开发流程对系统进行分析，设计环路控制，建立Simulink模型，对环路控制部分进行软硬件在环测试。测试通过后配置代码生成模型，生成代码经过编译后，烧录进处理器中进行实验。控制系统开发流程分为4个步骤：步骤1：设计环路控制，搭建Simulink仿真模型，完成控制算法和被控对象的建模，并进行实时仿真。步骤2：对控制算法模块进行SIL/PIL测试，验证对控制算法模块使用Simulink工具自动生成代码的可运行性。SIL（Software in the Loop）测试是在PC端测试生成代码的可运行性。PIL（Processor in theLoop）测试是在实际目标处理器上运行代码进行测试，验证生成的代码在目标处理器上的可运行性。步骤 3：配置代码生成模型，最终面向的是DSP28335 芯片，需要配置 ADC 模块接口及 EPWM模块输出。生成的代码经CCS编译后烧录进目标芯片中去，脱离Simulink软件。步骤4：连接处理器与硬件电路板，通过示波器观察输出，完成实验。2 闭环仿真模型搭建2.1 环路控制设计环路控制的核心在于补偿网络的设计，补偿网络的选取直接影响整个电源系统的输出精度和动态特性，因此需要设计合适的补偿网络。设计的电源控制电路在前级输入在12 15 V之间，后级输出范围为4 6 V，采用电压电流双闭环补偿网络。收稿日期：2023-05-11基金项目：皖江中心产业化项目WJ21CYHXM06作者简介：窦垚（1997-），安徽六安人，硕士研究生，研究方向：半导体激光器电源控制。江海河（1961-），安徽桐城人，硕士，研究员，通信作者。E-mail:,文章编号：1674-0874（2023）05-0014-042023年2.1.1 电流内环补偿网络设计电流内环控制对象为主电路，采用单极点-单零点补偿网络对电流内环进行补偿。单极点-单零点补偿网络的传递函数为Gc=Kc(1+swz)swz(1+swp)（1）式中：Kc为电流补偿网络最大增益；Wz为低频零点；Wp为高频极点。对于降压主电路，其系统穿越频率fc=fs2D，其中fs为开关频率 100 kHz，D 为最小占空比0.27，故其穿越频率fc=58.98 kHz。低频零点根据加入补偿后的开环传递函数bode图进行调整，最终选取为14 kHz，高频极点设置为开关频率100 kHz。代入参数得到电流内环补偿网络传递函数Gc为Gc=100(1+s14000)s14000(1+s100000)（2）加入电流内环补偿网络后的系统开环传递函数T为T=57900(1+s14000)s214000(1+s100000)（3）2.1.2 电压外环补偿网络设计设计电压外环时，其被控对象变成了加入补偿网络后的整体闭环。由于整体闭环存在两个零点，三个极点，故电压外环补偿网络选取为双极点-双零点补偿网络。双极点-双零点补偿网络的传递函数为Gv=Kv(1+swz1)(1+swz2)swz1(1+swp1)(1+swp2)（4）式中：Gv为电压补偿网络传递函数；Kv为电压补偿网络最大增益；wz1、wz2为补偿网络传递函数零点；wp1、wp2为补偿网络传递函数极点。根据设计要求，可计算得出电压外环补偿网络的零极点：wz1=12RLC=15.6 Hz，抵消负载极点；加入电流内环补偿网络后计算系统闭环传递函数得出其零点为10086kHz、13.88kHz，极点为40.453 kHz、19.095 kKz，其中10 086 kHz远大于100 kHz，忽略其影响并舍去，且40.453 kHz为一对共轭复根，故wz2=19.095 kHz；wp1=12RcC=4.7 kHz，抵消ESR零点；wp2设置在开关频率处为100 kHz。此时系统开环传递函数Tw为Tw=15(1+s15.6)(1+s13880)s15.6(1+s4700)(1+s40453)(1+s100000)（5）2.2 控制算法模型离散化在Simulink搭建的模型补偿网络部分使用的是连续模块搭建，对于模型设计来说，需要对其进行离散化。在离散化传递函数的方法中，双线性变换法相对于其他离散化方法来说离散化后的bode图与未离散化的bode图更为接近。因此采用离散化法为双线性变换法。将控制模块部分与主电路模块部分分开各自创建子系统模块，如图1。在Simulink工具里选择模型离散化器（modle discretizer），对控制算法模块使用双线性变换法进行离散化。图1 离散化控制算法模块图3 模型设计的测试与实验结果3.1 环路控制软件在环测试（SIL）图2为对离散化后的控制算法模块进行基础设置生成的软件在环测试SIL模块与原系统连接的整体模型。软件在环测试（SIL）的属性设置为求解器选择 Fixed-step（定步长）与 discrete（no continuousstates）（离散（无连续状态）。其次是硬件实现部分，在做软件在环测试时不需要连接硬件，因此硬件部分选择 None。系统目标文件选择 Ert.tlc，tlc文件可以直接控制代码自动生成过程。验证部分启用可移植字长，生成SIL模块。窦垚等：基于模型设计的半导体激光器电源控制系统15山西大同大学学报(自然科学版)2023年采样电路的输出电压及电感电流作为环路控制的输入，同时给定电压值，稳定输出值。软件在环测试的目的是为了验证离散化后的控制算法模块能否生成代码并成功在电脑上运行。通过基础设置生成SIL模块，用控制算法模块模块输出减去SIL模块输出，测试结果为零，证明两部分模块同输入同输出，软件在环测试通过。UoILPWM控制算法PWMUoIL主电路+?SILUoILPWM控制软件在环测试SIL模块图2 软件在环测试整体系统图3.2 环路控制硬件在环测试（PIL）硬件在环测试（PIL）的使用的芯片为DSP 28335选择F2833x系列。其次是通讯模块设置，选择SCI-A通讯，通过RS232通讯线连接处理器与计算机。验证部分，生成PIL模块。如图 3，连接控制算法模块与 PIL 模块，通过RS232通讯线与计算机交互信息，也就是采样的输出电压和电感电流，在输出端做减法。观察到最终示波器输出为零，产生波动是因为目标芯片周围元器件的影响，波动范围在-0.000 008 0.000 008 s属正常范围，即硬件在环测试通过。UoILPWM控制算法PIL(Texas Instruments C2000 Base)UoILPWM控制硬件在环测试PIL模块PWMUoIL主电路+?图3 硬件在环测试整体系统图3.3 配置代码生成模型通过软硬件在环测试后，验证了的代码的可靠性和可运行性。由于最终面向的是 DSP28335，需要对底层进行基础设置。代码配置模型如图 4，通过配置 ADC 模块和 EPWM 模块生成完整代码，其逻辑为 ADC 开始采样，结束采样，触发采样结束中断，进入中断服务函数。PWM 函数运行，计数器=周期值（CTR=PRD），触发 ADC-A 模块的开始转换事件，ADC 又开始采样，如此循环，最终稳定输出值。WAC280 x/C2833xePWM5VrefUoILPWMPIDataType=fixdt(0,16,12)DataType=singleDataType=single 1C280 x/C2833xADCA0A5Voltage DataType=singlef()functionVref图4 配置代码生成模型图ADC模块设置选择A模块，转换模式设为顺序采样信号。Start of conversion（转换开始），设置为ePWMxA，由用户定义的 PWM 事件触发。Sampletime：指定待转换信号的采样间隔时间，设置为-1，从上游模块继承采样时间。勾选 Post interrupt at theend of conversion在采样结束时触发中断（回到上一步中的PIE中断）。EPWM 模块设置选择使用 epwm5，以时钟周期确定计时器周期值。点开 PWM 模块（Event Trigger），勾选使能 PWM模块 在计数器=周期值（CTR=PRD）对 ADC-A 模块开始转换事件（通过设置 Firstevent，第一事件/第二事件/第三事件，可以排列ADC采样事件触发顺序）。3.4 实验结果分析对配置好的代码模型使用Simulink工具生成代码，烧录进处理器中去，连接硬件电路板。通过示波器观察负载输出电压。设置为6 V，实际实验中受到周围元器件影响实际输出结果为6.04 V，如图5，电压纹波稳定在40 mV以内，证明了配置后自动生成的完整代码经CCS编译后在处理器中成功运行，且能够对输出进行控制，验证了基于模型设计开发半导体激光器电源控制系统的方案代替传统人工编程开发的可行性。162023年图5 CCS编译代码实验输出结果图4 结语在搭建的Simulink与CCS联合开发环境中设计了半导体激光器电源控制系统，并对其设计开发过程进行了详细的阐述。借助于 Matlab/Simulink 快速、高地的搭建模型，过程中出现错误只需对模型进行修改，不需要对代码进行更改，极大地缩短了开发周期，通过基于模型设计的方法完成了对半导体激光器的电源控制系统的开发，验证了模型设计方法开发的可行性，同时相较于传统编程式开发电源控制系统的优越性。参考文献1 杨江涛，王健安，王银，等.新型高性能半导体激光器电源的设计与研究 J.电子器件，2021，44(4):817-823.2 董鑫，魏蒙希.基于STM32的远程控制电源系统 J.电工技术，2022(22):4-6.3 刘少龙，李仑升，曹琳.基于DSP的智能电源控制单元设计与实现 J.电子测试，2020(8):26-27.4 徐建明，汪晨浩.基于STM32-MAT的交流永磁同步电机驱动控制系统开发 J.浙江工业大学学报，2022，50(5):581-590.5 黄新成，简炜，陈宇峰，等.基于CCS-Simulink的永磁同步电机控制器设计及联合仿真 J.湖北汽车工业学院学报，2020，34(1):44-48.6 李逸飞，王秀莲.基于MATLAB/Simulink的TMS320F28335代码自动生成及其应用 J.现代计算机，2020(26):99-104.7 熊宇舟，刘平，杨嘉陵.新的基于全自动代码模型设计的整车控制器软件开发方法 J.电子测量技术，2018，41(24):127-133.8 郭泽，张笃周，范松涛.以高效率为目标的模型驱动开发航天嵌入式软件 J.质量与可靠性，2021(3):52-56.9 冯瑞东，姚胜华，付玉，等.基于模型设计的电子换挡控制系统软件开发 J.湖北汽车工业学院学报，2021，35(4):22-25.Power Control System of Semiconductor Laser Based on Model DesignDOU Yao1,JIANG Hai-he2*(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui,230009;2.InstituteofHealth&MedicalTechnology,HefeiInstitutesof PhysicalScience,ChineseAcademyofSciences,Hefei Anhui,230031)Abstract:In the traditional semiconductor laser power control system,the software code is written manually and the hardwarecircuit is designed and tested separately,which causes the long development cycle,non-standard code,and weak correlation.Thispaper uses the method of model design to replace the traditional manual software programming.Firstly,model design and systemsimulation were carried out using MATLAB/Simulink.DSP 28335 was used as the control chip,and a layered loop control was designed to establish a discrete closed-loop model.Then,software and hardware in the loop testing was conducted on the control partto build a code model and configuration parameters.Simulink was used to automatically generate the code,which was compiledand downloaded to the DSP controller.The experimental results show that using the model design can greatly shorten the development cycle of the semiconductor laser power control system,avoid the non-standard problem of manual writing software code,strengthen the correlation between software and hardware in the development process,and has a high engineering application value.Key words:power control;model design;Simulink;DSP责任编辑 高彩云窦垚等：基于模型设计的半导体激光器电源控制系统17