本发明属于直流直流转换器的控制领域，涉及一种直流直流转换器的控制系统及方法，特别涉及一种升压直流直流转换器的数字控制系统及方法，可用于便携式设备、汽车电子等领域。
背景技术：
在电子设备中，开关式转换器模块是不可缺少的模块之一，随着电子设备的快速发展，开关式转换器模块也得到了广泛的应用。开关式转换器又分为直流直流转换器和交流直流转换器，而直流直流转换器又分为升压直流直流转换器、降压直流直流转换器和升降压直流直流转换器。升压直流直流转换器是将外部输入的直流电压转换为一个更高的直流电压并输出，其控制方式又分为模拟控制和数字控制，模拟控制方式通常采用分立元器件搭建电路构成反馈控制电路对系统进行补偿和控制，而分立元器件的参数容易受外界环境如温度、湿度等条件的影响，随着使用寿命的增加，分立元器件也容易老化，使器件本身的参数发生变化，影响系统的性能，而且，模拟控制方式不易实现复杂算法；数字控制方式具有易于实现复杂控制算法、功耗低、具有固有的灵活性等优点。因此，数字控制器得到了快速发展，升压直流直流转换器的数字控制系统也将会得到广泛的应用。
近年来，相关领域对升压直流直流转换器的数字控制系统做了大量的研究，现有技术通常是通过采样模块对功率级电路的输出电压进行采样；模数转换adc模块对采样值进行模数转换得到数字信号；数字比例积分微分dpid模块对模数转换adc模块得到的数字信号进行补偿得到功率级电路开关管的占空比；数字脉宽调制dpwm模块根据功率级电路开关管的占空比获取栅极驱动信号，控制功率级电路开关管的导通与关断，从而控制升压直流直流转换器使其稳定。例如，马骁在其学位论文“数字dc-dc变换器中dpwm的研究与设计”(电子科技大学，2013)中公开了一种数字控制的直流直流转换器的开发过程，实现了升压直流直流转换器的数字控制策略，其通过采样模块对功率级电路的输出电压进行采样得到采样值，模数转换器(adc)对采样值进行模数转换得到数字信号，数字比例积分微分模块(dpid)对数字信号进行补偿得到功率级电路开关管的占空比，dpwm模块根据占空比产生栅极驱动信号，该栅极驱动信号控制功率级电路开关管的导通与关断，进而使升压直流直流转换器的输出电压得到稳定，并通过数字控制方式降低了系统的功耗。但是该系统存在的不足之处是：数字控制方式本身的特点使该系统存在延时大的问题，从而影响了该系统的响应速度，降低了系统的动态性能。因此，找到一种可降低升压直流直流转换器延时的数字控制方法显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种升压直流直流转换器峰值电压的数字控制系统及方法，用于解决现有技术中存在的响应速度慢的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种升压直流直流转换器峰值电压的数字控制系统，包括功率级电路和反馈控制电路。
所述功率级电路，包括电感l、开关管s1、整流二极管s2、电容c、电容等效串联电阻re和负载电阻rl；所述电感l的正极与外部输入直流源的正极相连；所述开关管s1的源极接地；所述整流二极管s2的负极与功率级电路的输出电压端相连，正极与所述电感l的负极以及所述开关管s1的漏极相连；所述电容c的正极与功率级电路的输出电压端相连，负极与所述电容等效串联电阻re的一端相连；所述电容等效串联电阻re的另一端接地；所述负载电阻rl的一端与功率级电路的输出电压端相连，另一端接地。
所述反馈控制电路，包括采样模块、模数转换adc模块、数字比例积分微分dpid模块和数字脉宽调制dpwm模块，其中：
所述采样模块，其输入端与功率级电路的输出电压端相连，用于对功率级电路的输出电压进行采样。
所述模数转换adc模块，用于对采样模块输出的采样信号进行模数转换，以获取数字信号。
所述数字比例积分微分dpid模块，用于计算参考电压值与模数转换adc模块获取的数字信号的差值，并对差值进行补偿以获取控制信号。
所述数字脉宽调制dpwm模块，其输出端与功率级电路开关管s1的栅极相连，用于获取功率级电路开关管s1的栅极驱动信号。
所述数字比例积分微分dpid模块和所述数字脉宽调制dpwm模块之间连接有数字峰值电压预测模块，用于对功率级电路输出电压第n+1个开关周期的峰值电压进行预测，并根据峰值电压计算功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比后保存；所述数字脉宽调制dpwm模块根据功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比，获取功率级电路开关管s1的栅极驱动信号，以控制功率级电路开关管s1的导通与关断，进而实现对功率级电路峰值电压的快速控制。
上述升压直流直流转换器峰值电压的数字控制系统，所述数字峰值电压预测模块，其计算功率级电路中的开关管s1第n个开关周期的占空比，是根据功率级电路输出电压第n+1个开关周期峰值电压的预测值和数字峰值电压预测模块保存的第n-1个开关周期的占空比实现的。
上述升压直流直流转换器峰值电压的数字控制系统，所述数字脉宽调制dpwm模块，采用后缘调制模式，包括高频计数器和比较器，其中：
所述高频计数器，用于计数。
所述比较器，用于比较功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn与高频计数器的计数值，以获取功率级电路开关管s1的栅极驱动信号。
一种升压直流直流转换器峰值电压的数字控制方法，包括如下步骤：
(1)参数设置：
设置参考电压值为vref，数字比例积分微分dpid模块中的比例系数为kp、积分系数为ki、微分系数为kd，升压直流直流转换器系统的开关周期为ts，数字脉宽调制dpwm模块中高频计数器的计数时钟为tclk，功率级电路开关管s1第1个开关周期的占空比的初始值为d1。
(2)采样模块对功率级电路的输出电压进行采样：
采样模块对功率级电路第n个开关周期开始的输出电压进行采样，得到采样信号vs-n，其中n≥2。
(3)模数转换adc模块对采样信号vs-n进行模数转换：
模数转换adc模块对采样信号vs-n进行模数转换，得到数字信号vs[n]。
(4)数字比例积分微分dpid模块获取控制信号vc[n]：
(4a)数字比例积分微分dpid模块计算数字信号vs[n]与参考电压值vref的差值，得到差值vref-vs[n]。
(4b)数字比例积分微分dpid模块通过设定的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，分别对差值vref-vs[n]进行补偿，并求取三个补偿结果的和，得到控制信号vc[n]。
(5)数字峰值电压预测模块计算功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比：
(5a)数字峰值电压预测模块根据数字比例积分微分dpid模块获取的第n个开关周期的控制信号vc[n]，计算功率级电路输出电压第n+1个开关周期的峰值电压的预测值vs-p[n+1]。
(5b)数字峰值电压预测模块根据功率级电路输出电压第n+1个开关周期峰值电压的预测值vs-p[n+1]和功率级电路开关管s1第n-1个开关周期的占空比dn-1，计算功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn：
其中，vout为功率级电路的输出电压，vin为功率级电路的外部直流源的电压值，l为功率级电路中电感的电感值，re为功率级电路中的电容等效串联电阻的电阻值，ts为升压直流直流转换器系统的开关周期。
(6)数字脉宽调制dpwm模块获取栅极驱动信号：
(6a)数字脉宽调制dpwm模块中的高频计数器根据计数时钟tclk计数。
(6b)数字脉宽调制dpwm模块对功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn与高频计数器的计数值进行比较，当高频计数器的计数值小于dn时，数字脉宽调制dpwm模块中的比较器输出高电平，当高频计数器的计数值大于dn时，数字脉宽调制dpwm模块中的比较器输出低电平，高电平和低电平组成栅极驱动信号，其中，高电平对功率级电路开关管s1第n个开关周期的导通进行控制，低电平对功率级电路开关管s1第n个开关周期的关断进行控制，进而实现对功率级电路输出电压第n个开关周期的峰值电压的控制。
(7)对功率级电路输出电压第n个开关周期之后的峰值电压进行控制：
令n＝n+1，重复执行步骤(2)～步骤(6)，使功率级电路输出电压的峰值电压稳定在参考电压值vref附近，实现升压直流直流转换器输出电压的快速控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于在数字比例积分微分dpid模块和数字脉宽调制dpwm模块之间连接有数字峰值电压预测模块，通过对升压直流直流转换器输出电压的峰值电压进行预测，根据转换器输出电压的峰值电压预测值计算占空比，从而补偿了数字控制过程中的延时问题，有效地提高了控制系统的响应速度，与现有技术相比，有效地提高了控制系统的动态性能。
2、本发明由于在数字比例积分微分dpid模块和数字脉宽调制dpwm模块之间连接有数字峰值电压预测模块，通过对升压直流直流转换器输出电压的峰值电压进行预测，控制了升压直流直流转换器输出电压的峰值电压的变化趋势，减小了升压直流直流转换器输出电压的峰值电压与参考电压值之间的误差，有效地提高了控制系统的稳定性，仿真结果表明，与现有技术相比，本发明的输出电压波形更平稳，进一步提高了控制系统的动态性能。
附图说明
图1是本发明控制系统的整体结构示意图；
图2是本发明控制方法的实现流程图；
图3是本发明和现有技术所控制的转换器输出电压的波形仿真图。
具体实施方式
下面参照附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1、一种升压直流直流转换器峰值电压的数字控制系统，包括功率级电路和反馈控制电路。
所述功率级电路，包括电感l、开关管s1、整流二极管s2、电容c、电容等效串联电阻re和负载电阻rl；所述电感l的正极与外部输入直流源的正极相连；所述开关管s1的源极接地；所述整流二极管s2的负极与功率级电路的输出电压端相连，正极与所述电感l的负极以及所述开关管s1的漏极相连；所述电容c的正极与功率级电路的输出电压端相连，负极与所述电容等效串联电阻re的一端相连；所述电容等效串联电阻re的另一端接地；所述负载电阻rl的一端与功率级电路的输出电压端相连，另一端接地。
所述反馈控制电路，包括采样模块、模数转换adc模块、数字比例积分微分dpid模块和数字脉宽调制dpwm模块，其中：
所述采样模块，其输入端与功率级电路的输出电压端相连，用于对功率级电路的输出电压进行采样。
所述模数转换adc模块，用于对采样模块输出的采样信号进行模数转换，以获取数字信号。
所述数字比例积分微分dpid模块，用于计算参考电压值与模数转换adc模块获取的数字信号的差值，并对差值进行补偿以获取控制信号。
所述数字脉宽调制dpwm模块，其输出端与功率级电路开关管s1的栅极相连，用于获取功率级电路开关管s1的栅极驱动信号。
所述数字比例积分微分dpid模块和所述数字脉宽调制dpwm模块之间连接有数字峰值电压预测模块，用于对功率级电路输出电压第n+1个开关周期的峰值电压进行预测，并根据峰值电压计算功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比后保存；所述数字脉宽调制dpwm模块根据功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比，获取功率级电路开关管s1的栅极驱动信号，以控制功率级电路开关管s1的导通与关断，进而实现对功率级电路峰值电压的快速控制。
所述数字峰值电压预测模块，其计算功率级电路中的开关管s1第n个开关周期的占空比，功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比的大小决定了第n+1个开关周期的功率级电路输出电压的峰值电压的值。
所述数字峰值电压预测模块，其计算功率级电路中的开关管s1第n个开关周期的占空比，是根据功率级电路输出电压第n+1个开关周期峰值电压的预测值和数字峰值电压预测模块保存的第n-1个开关周期的占空比实现的。
所述数字脉宽调制dpwm模块，采用后缘脉冲宽度调制模式，包括高频计数器和比较器，其中：
所述高频计数器，用于计数。
所述比较器，用于比较功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn与高频计数器的计数值，以获取功率级电路开关管s1的栅极驱动信号。
本实施例中数字脉宽调制dpwm模块采用脉冲宽度调制，即调制周期不变，而输出pwm波形的占空比一直变化，而脉冲宽度调制又分为后缘脉冲宽度调制和前缘脉冲宽度调制两种，根据升压直流直流转换器输出电压波形进行分析，采用后缘脉冲宽度调制，转换器系统可以实现自稳定，即在系统运行过程中，当输出电压出现扰动时，转换器系统采用后缘脉冲宽度调制可以消除该扰动，使转换器系统达到稳定状态。
参照图2、一种升压直流直流转换器峰值电压的数字控制方法，包括如下步骤：
步骤1)参数设置：
设置参考电压值为vref，数字比例积分微分dpid模块中的比例系数为kp、积分系数为ki、微分系数为kd，升压直流直流转换器系统的开关周期为ts，数字脉宽调制dpwm模块中高频计数器的计数时钟为tclk，功率级电路开关管s1第1个开关周期的占空比的初始值为d1；
本实施例中的参考电压值是期望升压直流直流转换器系统得到的输出电压大小，为了观察本实施例中转换器系统的响应速度，在设置参考电压值时，设置的是一个阶跃信号，即参考电压时开始为3.3v，在时间t＝15ms时，参考电压值设置为3.7v。
本实施例中峰值电压预测模块是根据系统保存的上一开关周期的占空比计算该周期的占空比，而在第1个开关周期时，升压直流直流转换器系统刚开始运行，还没有保存的占空比，因此第一个周期需要设置功率级电路中开关管s1的占空比d1，而该占空比大小是根据外部输入电压源电压与参考电压值计算得到的，占空比d1的表达式为：
其中，vref为参考电压值，vin为外部输入电压源电压。
步骤2)采样模块对功率级电路的输出电压进行采样：
采样模块对功率级电路第n个开关周期开始的输出电压进行采样，得到采样信号vs-n，其中n≥2。
步骤3)模数转换adc模块对采样信号vs-n进行模数转换：
模数转换adc模块对采样信号vs-n进行模数转换，得到数字信号vs[n]。
本实施例中的模数转换adc模块设置为8位，该模块的输入范围2v，因此模数转换adc模块对采样信号vs-n进行模数转换时，量化步长约为7.8mv，满足该转换系统的精度要求。
步骤4)数字比例积分微分dpid模块获取控制信号vc[n]：
步骤4a)数字比例积分微分dpid模块计算数字信号vs[n]与参考电压值vref的差值，得到差值vref-vs[n]。
步骤4b)数字比例积分微分dpid模块通过设定的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，分别对差值vref-vs[n]进行补偿，并求取三个补偿结果的和，得到控制信号vc[n]。
本实施例中，在确定数字比例积分微分dpid模块的比例系数为kp、积分系数为ki、微分系数为kd时，采用的是经验法。上述差值vref-vs[n]即系统的偏差信号。比例环节及时成比例地反映转换器系统的偏差信号，偏差一旦产生，比例环节立即产生控制作用，以减小偏差，积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的精度，微分环节反映偏差信号的变化趋势，加快系统的反应速度。
步骤5)数字峰值电压预测模块计算功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比：
步骤5a)数字峰值电压预测模块根据数字比例积分微分dpid模块获取的第n个开关周期的控制信号vc[n]，计算功率级电路输出电压第n+1个开关周期的峰值电压的预测值vs-p[n+1]。
本实施例中所述的功率级电路输出电压第n+1个开关周期的峰值电压的预测值vs-p[n+1]，计算公式为：
vs-p[n+1]＝vc[n]
其中，vc[n]为数字比例积分微分dpid模块在第n个开关周期获取的控制信号。
步骤5b)数字峰值电压预测模块根据功率级电路输出电压第n+1个开关周期峰值电压的预测值vs-p[n+1]和功率级电路开关管s1第n-1个开关周期的占空比dn-1，计算功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn：
其中，vout为功率级电路的输出电压，vin为功率级电路的外部直流源的电压值，l为功率级电路中电感的电感值，re为功率级电路中的电容等效串联电阻的电阻值，ts为升压直流直流转换器系统的开关周期。
本实施例中所述的功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn，其计算公式是根据功率级电路的输出电压波形斜率以及功率级电路的输出电压波形的峰值电压表达式推导得到的，其中：
功率级电路的输出电压波形斜率包括上升斜率m1和下降斜率m2，其表达式分别为：
功率级电路的输出电压波形的峰值电压的表达式为：
其中，vout为功率级电路的输出电压，vin为功率级电路的外部直流源的电压值，l为功率级电路中电感的电感值，re为功率级电路中的电容等效串联电阻的电阻值，vs[n]为模数转换adc模块在升压直流直流转换器第n个开关周期得到的数字信号，vs[n+1]为模数转换adc模块在升压直流直流转换器第n+1个开关周期得到的数字信号，dn-1为功率级电路中的开关管s1第n-1个开关周期的占空比，dn为功率级电路中的开关管s1第n个开关周期的占空比，ts为升压直流直流转换器系统的开关周期，vs-p[n+1]为功率级电路输出电压第n+1个开关周期的峰值电压的预测值。
步骤6)数字脉宽调制dpwm模块获取栅极驱动信号：
步骤6a)数字脉宽调制dpwm模块中的高频计数器根据计数时钟tclk计数。
步骤6b)数字脉宽调制dpwm模块对功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn与高频计数器的计数值进行比较，当高频计数器的计数值小于dn时，数字脉宽调制dpwm模块中的比较器输出高电平，当高频计数器的计数值大于dn时，数字脉宽调制dpwm模块中的比较器输出低电平，高电平和低电平组成栅极驱动信号，其中，高电平对功率级电路开关管s1第n个开关周期的导通进行控制，低电平对功率级电路开关管s1第n个开关周期的关断进行控制，进而实现对功率级电路输出电压第n个开关周期的峰值电压的控制。
本实施例中数字脉宽调制dpwm模块设置为10位，其位数要比模数转换adc模块的位数高，这一原则可以有效地避免转换器系统出现极限环振荡现象。
步骤7)对功率级电路输出电压第n个开关周期之后的峰值电压进行控制：
令n＝n+1，重复执行步骤(2)～步骤(6)，使功率级电路输出电压的峰值电压稳定在参考电压值vref附近，实现升压直流直流转换器输出电压的快速控制。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明。
1、仿真条件和内容：
本实施例中，模数转换adc模块设为8位，数字脉宽调制dpwm模块设为10位；功率级电路中的元器件参数设置为：电感l＝20μh、电容c＝1420μf、电容等效串联电阻re＝30mω和负载电阻rl＝20ω；升压直流直流转换器的开关周期为ts＝10μs；数字比例积分微分dpid模块中的比例系数为kp＝-0.04、积分系数为ki＝10^(-8)、微分系数为kd＝0.21；外部输入电压源电压为vin＝1.5v；参考电压值为vref＝3.7v。
在matlab/simulink中根据图1所示的本发明控制系统的整体结构示意图对本实施例搭建模型，图中的元器件可以在matlab/simulink的模型库中调用，峰值电压预测模块根据发明内容升压直流直流转换器峰值电压的数字控制方法中所述的功率级电路开关管s1第n个开关周期的占空比dn的表达式搭建模型，即通过加法器与乘法器来实现；外部输入电压源选用直流源，按照上述条件设置参数，并对本实施例中的输出电压进行仿真，观察本实施例功率级电路输出电压的波形。
2、仿真结果分析：
参照图3，其中，图3(a)为本发明所控制的转换器输出电压的波形仿真图，图3(b)为现有技术所控制的转换器输出电压的波形仿真图。本发明实施例中的输出电压波形在由3.3v稳定到3.7v的时间比现有技术快了0.5ms，在更短的时间内达到稳定，因此本发明提高了升压直流直流转换器的响应速度；由图3可以看出，本发明实施例的输出电压波形更平稳，提高了升压直流直流转换器的稳定性，因此本发明有效地提高了控制系统的动态性能。