随着高压电源技术的不断发展和广泛应用，人们对高压电源的性能提出了越来越高的要求，这就意味着，要提高现有高压电源电路拓扑结构的性能就必须对其实施精确有效的控制，这就对高压电源控制领域提出了更高要求。传统的模拟控制方式已很难对高压电源有效控制，近年来，基于DSP的数字控制技术大量运用于高压电源，使高压电源性能得到很大的提高。
　　
　　一、高压电路工作原理及建模
　　
　　1.高压电路工作原理
　　
　　常用的高压电路主要由整流模块、滤波电路、斩波模块、谐振逆变模块、高频变压器和倍压整流电路组成。如图1所示。
　　
　　其工作过程为：220V/50Hz的交流电，经不可控整流和低通滤波电路作用得到直流电压；然后通过由PWM控制的斩波电路，输出大小可调的直流电压；直流电压再经过谐振逆变电路作用，可获得恒定高频正弦交流电压；最后交流电压经过高频变压器和多级倍压整流电路的作用，输出直流高压。而控制单元作用于斩波电路，通过对PWM的控制实现对输出高压的调节和控制。
　　
　　2.高压电路建模
　　
　　高压电路稳压控制模型，如图2所示，其中控制回路主要包括：斩波Buck模块、谐振逆变模块、变压器升压模块、倍压整流模块、电压采集模块和PWM控制模块，现分别对各个模块建模。
　　
　　通过对Buck电路结构进行分析，并利用状态空间平均法对其进行建模，可得其传递函数：
　　　　
　　根据设计可得，v_m=250V，l=2mH，C=100μF，r=100代入（1-1）式得到：
　　　　
　　同理，通过对并联负载谐振型逆变电路分析，其传递函数为：
　　　　
　　其中：，F=f/f_p，f_s为开关频率，f_p为谐振频率，根据设计可得，F=1，R_1=150Ω，l=100μH，则计算出并联负载谐振逆变器传递函数g_conv=5。
　　
　　在变压器升压模块中，忽略变压器的漏感和寄生电容，则可以等效为一个比例环节。设计变压器变压比为50，其传递函数为g_tam=50。
　　
　　在倍压整流模块中，通过对其电路分析可知放大系数K=6，延时系数Γ=1000μs，则其传递函数为：
     　　
　　综上所述，可以得出系统的开环传递函数为：
　　
　　其中，g_sample=0.001，g_pwn=0.5，代入（1-5）可得：
　　
　　二、控制系统总体设计
　　
　　为了实现高效运行，DSP控制系统应具备准确的信号输出控制、电源故障保护和信号输入输出显示等功能。信号输出控制是核心环节，要实现高效控制，必须要求其在调节过程中保持稳定和准确；电源故障保护主要是实时检测驱动电源的工作情况，如出现过压、过流、温度过高等故障，要及时判别并处理；信号输入输出显示是在一定协议下通过专门的接口与上位机进行连接通信，利用上位机对控制器进行发送和接收信号，实时显示系统的运行状态。
　　
　　高压电源的工作原理为上位机通过RS-232总线将设定的信号传递到DSP控制器，同时DSP控制器接收到来自传感器的反馈信号，DSP控制器将设定信号值与反馈信号值比较得到偏差，所得偏差经过控制算法输出对应的PWM信号并作用于斩波调压电路和谐振逆变电路的开关管，然后通过开关管控制电路中电压的输出，进而实现对高压的有效控制。
　　
　　根据系统工作原理和功能分析，按照模块化思想，其总体结构包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括DSP控制器以及与其相连接的驱动电路、检测电路、控制电路、显示电路、保护电路等各种外围电路；软件部分主要包括实现驱动、检测、控制、保护等各种功能的程序文件。
　　
　　硬件电路是系统工作的载体，主要有：驱动电路、检测电路、上位机通信电路以及其他控制电路，DSP控制器采用最小系统设计。可选用浮点型DSP电源控制系统的控制芯片，该驱动电源系统一般需要几路PWM信号，其中，Buck调压电路需要一路占空比可调的PWM信号，两个相同的并联谐振模块共需要八路PWM信号。为了使系统控制更加准确，根据对DSP控制芯片硬件资源分析可知，将选用其中九路增强型PWM进行控制输出，且Buck调压电路选用增强型中的分辨率更高的HRPWM。
　　
　　三、Fuzzy-PID自整定控制器设计
　　
　　在DSP中也可以编入高效的智能控制算法，使系统的控制性能更加的优越。针对高压电源系统复杂的控制性能，为实现稳定、准确、快速的运行目标，国内外学者最青睐的控制方法是模糊PID控制技术。Fuzzy-PID自整定控制器不仅保持了PID控制结构简单、鲁棒性好、响应快速等优点，还具有模糊控制的非线性适应能力强、能够模糊智能推理等特点，从而使系统达到较好的控制效果。
　　
　　1.Fuzzy-PID自整定控制器结构
　　
　　Fuzzy-PID自整定控制器结构如图3所示，Fuzzy-PID控制器由一个模糊推理单元和PID控制单元组成，其利用系统在实际运行过程中的偏差及偏差变化率作为模糊推理单元的输入，经过模糊推理单元的计算处理实现对PID三个参数的在线调整，控制器能够根据控制情况实时的改变PID三个控制参数，最终实现对被控对象实时有效的控制。
　　
　　2.模糊控制器设计
　　
　　模糊控制器的设计流程如图4所示，由Fuzzy-PID自整定控制器结构可知，选用输入维数为2输出维数为3的模糊推理单元，选用三角函数作为隶属度函数，得到模糊变量表；根据本系统的控制需求和特性，进而得到模糊规则表。
　　
　　在MATLAB软件中，按照模糊控制器的设计流程进行操作便可生成如图5所示的模糊推理系统，E、EC作为输入，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d作为输出作用于PID控制器上实时调整。
　　
　　3.PID控制算法
　　
　　PID控制算法中运用最多的增量式PID（INC-PID）和位置式PID（POS-PID），增量式PID的一般形式为：
    　　
　　位置式PID的一般形式为：
　　
　　由式（6）和式（7）对比分析可知：增量式PID算法Δu(k)只与第k、k-1、k-2时刻偏差相关，而位置式PID算法中存在累加项，输出与过去状态有关，运算量大，所以增量式PID相对于位置式PID在运行时间和误差等方面都有很大优势。因此，本文采用增量式PID算法构建Fuzzy-PID自整定控制器，其输出信号Δu(k)为系统的控制信号，其中：
　　　　
　　其中，K_p'，K_i'，K_d'为PID控制器三个调节参数初始值，模糊控制器的输出信号ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为PID控制器参数K_p、K_i、K_d在线修正量。
　　
　　四、基于模糊PID控制器（Fuzzy-PID）的仿真
　　
　　在MTLAB中调用Simulink建立仿真框图，得到高压电路数学模型如图6所示，图中Fuzzy-PIDcontrol包含模糊控制和PID控制器。下面将Fuzzy-PID、WNN-PID和BP-PID控制器分别作用于高压发生电路进行仿真对比，从而得到适合系统的控制算法。
　　
　　Fuzzy-PID、WNN-PID和BP-PID在高压电路中控制性能比较如图7所示。通过对仿真曲线分析可知：Fuzzy-PID相对于WNN-PID和BP-PID具有较快的响应速度和较短的上升时间，并能快速达到稳定，具有较强的抗干扰能力，由此得出，Fuzzy-PID在高压电路中表现更好的控制性能。
　　
　　五、结语
　　
　　本文首先对高压电路进行分析和建模，得到真实反映系统的数学模型；接着设计了基于DSP的电源控制系统，并用模糊控制和经典PID相结合的方法组成Fuzzy-PID控制器，实现对高压电路的控制；最后通过仿真对比，结果证明基于DSP的Fuzzy-PID控制器对高压电源系统具有很好的控制能力。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]蔡光军.基于DSP的高频通信电源的研究[D].武汉理工大学硕士学位论文，2010.
　　
　　[2]周志敏，周纪海，纪爱华.高频开关电源设计与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2008，12.
　　
　　[3]张卫平.开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2005.
　　
　　[4]韦巍，何行.智能控制基础[M].北京：清华大学出版社，2008.
　　
　　作者简介
　　
　　蒋侨，男，硕士研究生，信息通信工程师，主要从事光电传输系统建设优化和开关电源拓扑结构和控制技术研究；工作10余年，作为项目负责人，参与完成了多个光传输系统工程建设和运行维护。
　　
　　刘勇，男，本科，信息通信工程师，主要从事光电网络工程建设维护和传输网管系统优化维护。
　　
　　编辑：Harris