HID汽车前照灯电子镇流器数字控制IP核研究.pdf

硕士论文H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制P 核研究 摘要 近年来，H I D 灯由于其高亮度、高发光效率和长寿命成为汽车前照灯的理想选择之 一。但其开启过程复杂，包含六个步骤，每个步骤需要单独的控制策略。如果使用传统 的模拟控制则会造成镇流器电路复杂，难以实现复杂的控制策略。本文研究和利用最新 数字控制策略，设计专用逻辑( 数字I P ) 来实现对电子镇流器的控制，以期与现有M C U 控制方案相比获得更高的效率。 I P 核的任务为读取电子镇流器输出电流值，判断开启状态，再把正确的P W M 信号 输给电子镇流器的开关部件。整个I P 为S O C 构架，包括主控模块、W I S H B O N E 总线 和必要外设如：P W M 、t i m e r 、P I D 和I 的M 等。主控模块利用特殊设计的状态机实现 不同开启阶段的控制与开启阶段间的转换。P W M 信号的占空比是由专门设计的P I D 控 制器产生，与普通的软件实现相比，在进行动态系数调整时可以获得更高的效率。 本文详细展示了整个I P 以及其包含的每个模块的功能( 包括需要实现的算法) 、构 架、设计细节以及验证结果。 关键词：H I D ，汽车前照，数字控制，P I D ，I P 核 A b s t r a c t硕士论文 A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，H I Dl 锄p sh a v eb e e na c c e p t e da Sag o o dc h o i c ef o ra u t o m o t i v eh e a d l i g b t a p p l i c a t i o n sf o ri t sh i g hi n t e n s i t y ，1 1 i g he m c i e n c ya n dl o n gl i f e B u tt l l e yh a V eaV e r yc o m p l e x 6s t e p ss t a n l l pp r o c e s s A n de a c ho ft h e mn e e d si t sd i s t i n c tc o n t r o ls 仃a t e g y U s i n g 缸a d i t i o n a l a n a l o gc o m r o l 、析l lr e s u l ti nac o I n p l e xc i r c u i t A n di t t sh a r dt or e a l i z es o p m s t i c a t e dc o n 仃o l a l g o r i t l l m s I n 廿l i sp 印e r ，n e w e s td i g i t a lc o m r 0 1s t r a t e g yi ss t u d i e da n da d o p t e di I l t h e a u t o m o t i v eH I Db a l l a S tc o n 仃o lI Pd e s i 髓A n dab e t t e re m c i e n c yi se x p e c t e dc o n l p 撕n gt o c o n V e t i o n a ld e s i 印b a S e do nM C U s T K sI P sm a i l lt a S ki st or e a dt 1 1 eo u t p u tV a L l u eo f t h eb a l l a S t ，t l l e n j u d g et 1 1 es 咖s t a g e o fm el 锄p ，f i n a l l ys e n d 舭c o r r e c tc o n 仃o ls i 印2 L lt ob a l l a s t ss 谢t c l l i n gu 工1 i t n l i sPi sS O C a r c l l i t e c n 鹏，i tc o n s i s t so fam a i nc o n n D lm o d u l e ，W I S H B O N Eb u sa 1 1 dn e c e s s a 巧p 耐p h e r a l s l i k eP 、7 ，M ，t i m e r ，P I Dc o n t r o U e ra n dR O M ，e t c n l r o u g ho u tt 1 1 ep 印e r ，t l l ew h o l eI Pa n de V e r ym o d u l e sf b n c t i o n s ，a r c l l i t e c t u r e s ，d e s i 萨 d e t 2 L i l sa 芏l ds o m eV e r i f i c a t i o nr e s u l t sa r ed e m o n s 仃a t e d ，a l g o r i t h m sa n dc o I n p u t e r 撕t h m e t i c k n o w l e d g ea r ee x p l a j n e d K e yw o r d ：H I D ，a u t o m o t i V eh e a d l i g h t ，d i g i t a lc o r l 仃o l ，P I D ，I Pc o r e I I 硕士论文H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制I P 核研究 目录 摘墨要。I A b s t r a c t 。I I 目录。I I I 1 绪论1 1 1 课题背景与现状1 1 2 课题意义2 2H I D 汽车前照灯电子镇流器控制I P 核构架3 2 1 I P 核功能分析3 2 1 1 I P 核简介3 2 1 2 金属卤化物灯启动过程4 2 1 3H I D 汽车前照灯电子镇流器结构5 2 1 4I P 核的功能6 2 2I P 核构架设计一6 2 3 本章小结8 3P I D 控制器设计9 3 1P I D 控制器算法9 3 2 数字P I D 控制器1 2 3 3 加法器设计1 5 3 3 1 基本加法器15 3 3 2 超前进位加法器1 6 3 3 3 并行前缀加法器( P 删l e lp r e f i xa d d e r s ) 1 7 3 3 43 2 - b i tH a l l C a d s o n 加法器设计结果仿真19 3 3 5F P G A 测试2 1 3 4 乘法器设计2 2 3 4 1B o o m 乘法算法2 2 3 4 2 符号扩展技巧2 4 3 4 3W 砒l a c e 树2 7 3 4 4 乘法器整体结构3 0 3 4 51 6 x 1 6 - b i t 乘法器设计结果仿真3l 3 4 6F P G A 测试3 3 3 4 7 乘法器流水线化3 3 I I I 目录 硕士论文 3 5P I D 控制器设计要求3 5 3 5 1P I D 控制器端口与控制3 5 3 5 2P I D 控制器行为3 5 3 6P D 控制器状态机3 6 3 7P I D 控制器验证3 7 3 8 本章小结4 0 4 脉宽调制器( P W M ，P U L S EW I D T HM O D U L A T O R ) 设计4 1 4 1 设计要求4 1 4 2 构架4 1 4 3 功能4 2 4 4 时钟奇数倍分频4 3 4 5 主计数器4 4 4 6 仿真与F P G A 测试结果4 6 4 6 1 仿真结果4 6 4 6 2F P G A 测试结果4 6 4 7 本章小结4 8 5 主控模块设计4 9 5 1 控制参数核外存储构架4 9 5 2 模块功能5 0 5 3 构架与规格设计5 0 5 3 1W I S H B O N EM a S t e r I m e r f a c e 5l 5 3 2R e 百s t e rA r r a y 5 2 5 3 3M a i nC o I 咖lS t a t eM a c l l i n e 5 4 5 4 本章小结5 7 6 总结与展望5 9 致谢6 0 参考文献6 1 I V 硕士论文H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制I P 核研究 1 绪论 1 1 课题背景与现状 H I D 汽车前照灯为高强度气体放电灯、 电弧放电发光，亮度是传统卤素灯的三倍， 小时，几乎是传统卤素灯的1 0 倍1 】【2 】。 氙金属卤化物灯。其利用气体( 等离子体) 功率是传统卤素灯的一半，寿命长达3 0 0 0 用高强度气体放电( H I D ) 灯作为汽车前照灯开始于上世纪9 0 年代。1 9 9 1 年德国 建立了H I D 汽车前照灯的标准，19 9 6 年正式批准了E C EN O 9 8 气体放电型前照灯和 E C EN O 9 9 气体放电型光源两个E C E 法规。欧洲高级轿车率先配备了由飞利浦公司研 制的H I D 汽车前照灯，光源是3 5 W 金属卤化物灯( 汽车行业称之为氙气H I D 灯) ，如 今日本采用H I D 前照灯的车辆数已超过了欧洲，我国也有逐渐采用的趋势。H I D 光源 的汽车前照灯被誉为2 1 世纪革命性汽车照明产品【1 】。 由于气体放电灯的负电阻特性，需要镇流器来维持正常工作。目前，汽车氙灯用电 子镇流器的研究主要集中在国外几大照明公司，包括德国的飞利浦、海拉和欧司朗，日 本的松下、三菱，以及台湾的海蓝星、美国的G E 照明，各个公司由于起步早，都掌握 了很多专利。瓜( i n t e m a t i o n a lr e c t i f i e r ) 国际整流器公司也很早就为电子镇流器的特殊应 用设计了很多高压场合下的开关管和半桥、全桥驱动芯片，美国著名的德国仪器公司为 汽车用电子镇流器开发了专用的模拟控制芯片。经过近几年的技术引进和吸收，国内也 出现了很多车用氙灯电子镇流器品牌，有雪莱特、名都、海迪等，部分公司由于技术上 的进步、成本的优势，成为了外国同行的有力竞争者。 每一个电子镇流器都需要一个控制环路对输出进行控制。而实现这一控制的部件为 电子镇流器控制芯片。芯片的类型有的是专用集成电路( A S I C ) 【3 】，有的是基于微控制 器( M C U ) 【4 】。它们控制方法有模拟、数模混合和数字控制。在国际上，有很多公司研 发和销售H I D 电子镇流器控制芯片，如：M i c r o c m p 的P I C l 6 F 7 8 5 、d s P I CD S C ， I n t e m a t i o n a lR e c t i f i e r 的I R S 2 5 7 3 D ，A 缸n e l 的A T 9 0 P W M l ，T e x a S1 1 1 s 仇l m e n t s ( U N I T R O D E C O R P 0 m 盯I O N ) 的U C C 3 3 0 5 等【2 8 】【2 9 】【3 0 1 。 在国内，做H I D 电子镇流器控制芯片研发的企业或科研机构很少，相关的中文文 献也不多。浙江大学电子工程学院在H I D 电子镇流器设计与控制方面有很多研究成果【5 】 【6 】【7 】【8 】，但是控制芯片都是使用别的公司的现成的产品。复旦大学电光源研究所和先进 照明技术教育部工程研究中心做过基于F P G A 的H I D 电子镇流器控制芯片的研究 9 1 。 1 绪论 硕士论文 1 2 课题意义 H I D 汽车前照灯( 氙灯) 的启动过程复杂，前后需要6 个阶段，每个阶段需要不同 的控制策略。所以使用传统的模拟控制或数模混合控制会导致电路复杂，也无法实现精 确控制。与之相比数字控制有以下优势： 1 方便实现复杂的控制算法 2 高性能 3 有效的保护 4 高鲁棒性 5 低成本 I P 核是指用于专用集成电路( A S I C ) 或者可编辑逻辑器件( F P G A ) 设计的功能模 块。将一些在芯片设计中常用但比较复杂的功能块，如：通用处理器，常用的密码算法， F I R 滤波器，S D R A M 控制器，P C I 接口，U S B 控制器等等设计成可修改参数的模块， 让其他用户可以直接调用这些模块，这样就大大减轻了工程师的负担，避免重复劳动， 提高整个项目设计的进度。 软I P 内核通常是用某种H D L 文本提交用户，它已经过行为级设计优化和功能验证， 但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级网表，并可 以进行后续结构设计，具有最大的灵活性，可以很容易地借助于E D A 综合工具与其他 外部逻辑电路结合成一体，根据各种不同的半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。 因此研究并设计H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制软I P 核不但在降低电子镇流 器复杂程度、实现对灯的精确控制等方面有着重要意义，而且具有最大的灵活性，还可 以与其他I P 核组合成S O C 实现更复杂的功能，如无线网络和远程控制。 硕士论文H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制m 核研究 2H I D 汽车前照灯电子镇流器控制I P 核构架 2 1I P 核功能分析 2 1 1 I P 核简介 在电子设计中，半导体I P 核是指那些属于个人或团体知识产权的可复用的逻辑单 元、基本元件、或者电路设计。它们可以被授权给其他个人或团体。它们可以作为A S I C 或F P G A 设计中的组成模块。 I P 核对片上系统( s y s t e mo n ac 1 1 i p ) 设计有着重要影响。通过对I P 核多次授权，许 可证颁发者可以把设计成本分摊给其他芯片制造商。芯片制造商通过使用标准处理器、 通讯接口、或其他功能的I P 核来减少研发工作量，从而可以把主要研发精力投入到产 品独有技术当中，缩短研发周期。 软I P 核 软P 核的形式有两种，一种是可综合I 汀L ，另一种是网表。可综合R T L 形式的I P 核是由硬件描述语言如V e r i l o g 、V H D L 撰写的文本。硬件描述语言如同计算机编程领 域的高级语言如C ，它对I P 核的功能进行描述。获得I 盯L 形式I P 核的芯片设计者可以 对I P 核的功能进行修改。 网表形式I P 核可以是通用门级网表，或是针对专门工艺的标准元件网表。网表对 逻辑和布尔代数的门级实现进行描述。它如同计算机编程领域的汇编语言。通用门级网 表形式的I P 核可以被应用于各种半导体工艺。当面对反向工程时，网表可以对I P 核销 售商的知识产权提供保护。 硬I P 核 硬I P 核是描述晶体管布局的版图，它可以提供确定的时序性能和面积。之所以被 称为硬核，是因为无法在功能方面对它进行有意义的修改。晶体管布局必须遵照某一生 产厂商工艺的设计规定，因此硬核很难移植至其他工艺或生产厂商。模拟和混合集成电 路因为需要进行低级的物理描述，它们以硬核的形式提交给用户。数字集成电路有时也 以硬核的形式交付。 2H I D 汽车前照灯电子镇流器控制I P 核构架 硕士论文 2 1 2 金属卤化物灯启动过程1 1 】1 1 2 l 【1 6 J 氙金属卤化物灯从启动到进入稳态经过几个阶段，分别称为：t u 】m o n ，i g l l i t i o n ， T 酞e o v e r ，w a n l l u p ，r u n u p 以及s t e a d y s t a t e 。各个阶段的工作具体描述如下 1 t u H l o n ：此阶段主要是将储能电容充电至4 0 0 V 电压，提供足够能量以建立高压击穿灯 管。 2 1 鲥t i o n ：当i g I l i t o r 可以产生足够高的电压时，电路必须能够释放足够的能量以维持电 弧。 3 1 酞e o v e r ：当灯管击穿后，灯电流迅速增加达到1 2 A 左右，这个电流叫t a l 【e o v e r 电流， 主要由电容中的储能提供，这段时间一般维持3 0 0 u s 4 W a n n u p ：由于汽车前照灯不允许长时间的低光效输出，为了快速达到1 0 0 光输出，电 子镇流器必须提供大的启动电流给灯，来加速灯管达到热平衡。在这个过程中灯的两极 近似工作在直流状态，两个电极轮流长时间的工作j 并且灯电流达到2 6 A 。 5 呻：由于灯管的额定功率为3 5 W ，而在前一阶段中却供给大约7 5 W 的功率，所以 由7 5 W 的低压大电流过渡到3 5 W 的额定电流的阶段，电子镇流器必须提供一个稳定的 功率调整电路以免损坏灯管。 6 S t e a d ys t a t e ：在正常工作时除了要考虑一般性的保护如：过压、短路等，还要考虑灯管老 化的功率控制的问题。当灯管老化时如不适当地控制灯的功率必然会使灯出现过电压或 过电流等情况而加速灯的老化速度，影响灯的寿命。 4 ， t ，J ， l J 一J t 、7 ， l V n - O A 和l t I 蛐 “k 卜 栅¨l H 咿 r 嵋H 母s 健柚y ，h “ O V C r J、 3 0 1 脚蛔l 3 0 n l l § 6 瀑m ，湖堋6 饕8 I p 凶 6 毫一l O S V 2 l I 、7 1 H V 2 t V ' 8 S V r 。一一门nn 广几几几一 L 厂一 ¨uuU UL JUUl 7 1 2 q V 哺 矿l 枷日 帆 圳V 一枷m k 堪m 岫 嚯r k 。镬 Jl l L 擅叩 柏W 2 l m “'2 从m a 站啼I k 4 Ao 1 A 曲·冀S 、- n O 厂n 几nnr 3 鳓? 1nn f 一2 点A 一U jUU L J 目 JU U l 7 心 ! 矗6 A ( m 毒t ) 图2 2 氙金属卤化物灯从启动到稳态的时序图 硕士论文 H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制P 核研究 2 1 3H I D 汽车前照灯电子镇流器结构1 1 】- 1 1 6 l 氙金属卤化物灯在启动时需要将近2 3 k V 以上的高电压脉冲，启动后为了使灯管稳 定发光，在点火瞬间，必须要有一适当电压供给灯管。为了满足灯在启动与稳态时不同 的要求，目前一般所采用的汽车用电子镇流器的基本电路结构包含四个部份，如图2 3 所示。各部份功能如下： 1 直流直流升压电路：由于目前汽车所使用的电源为1 2 V 铅蓄电池，而灯管稳态电压约 为8 5 v ，因此必需经过一级升压电路将电池电压升高。一般采用反激变换器( F 1 y b a c k C o n v e n e r l 作为升压电路，以提供灯稳态工作所需的电压与启动电路所需的高压。相对 于普通照明用金属卤化物灯电子镇流器第一级为功率因数校正电路( P F C ) ，在汽车中由 于输入为9 1 6 V 的直流电源，所以没有功率因数校正的需求。 2 高压启动电路：由于灯点亮需要高压脉冲才能使灯管击穿开始放电，因此需要高压启动 电路。启动电路可以采取一级或两级升压的方式来产生至少2 3 l ( V 以上的高压脉冲。 3 直流交流变换电路：由于直流升压电路的输出为直流电，必须使用逆变电路将直流电 转变为灯管点亮后所需的交流方波电流。逆变电路一般都采用全桥逆变器。全桥逆变电 路提供低频交流方波电流给灯管，以避免声谐振的发生。 4 驱动与保护电路：灯管启动时控制启动电路，灯管点亮后，检测是否有过压以及短路发 生。通过检测灯电压与灯电流的的信号，来控制驱动电路和保护电路，使灯管能稳定工 作。 图2 3H I D 汽车前照灯电子镇流器电路框图 2H I D 汽车前照灯电子镇流器控制m 核构架 硕士论文 2 1 4I P 核的功能 经过以上对金属卤化物灯启动过程的分析，与对H I D 汽车前照灯电子镇流器结构的 分析，可以得出本课题所研究I P 核的功能就是通过控制电子镇流器中的直流直流升压 电路和直流交流变换电路以使得电子镇流器的输出电压和电流符合H I D 汽车前照灯在 启动过程中与正常运行中对灯两端电压与电流的要求。 图2 4 展示了整个电子镇流器的模块组成，它包含： ·高频D C D C 变换器； ·低频D C A C 逆变器； ·点火电路； ·H I D 镇流器控制I P 。 图2 4 镇流器结构框图，I P 核需要通过检测A D C 的输出来判断灯所处的开启过程和状态，再根据 需要改变全桥逆变器( D C A C 逆变器) 的频率，通过反馈控制改变反激变换器( D C 他C 变换器) 的开关信号占空比，以此改变灯的电流和电压。 2 2I P 核构架设计 为了实现上述功能，I P 核需要一个主控模块和一些具有特定功能的外设模块。每个 模块根据系统要求与自身功能要求单独设计。最终I P 核将由这些模块组合起来形成一 个片上系统( S o C ) ，以实现所有的功能要求。同时，每个模块不仅是整个I P 的一部分， 它们也有自己的复用性，可以单独被用于其他应用。 整个I P 构架如图2 5 所示，将是一个S O C 的形式。其中A H B C ( A u t o m o t i v eH D B a l l a S tC o n 仃o l l e r ，主控模块) 、P W M 、t i I I l e r 和P I D 是本文设计内容。W I S H B O N EB u s 将利用现有开源资源，也可自行设计。R O M 和A D C 将在I P 应用时加入。 6 硕士论文H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制m 核研究 A u t O m O t i v eH I DB a l I a s t M a s t e r 0s I 删咂 C o n t r o l I e r S l 川 叫! ! ! 二! s l 甜e 2叫萝 0囊 _ 1 S 黼e 3 一悃 I _ 1 。 、 丹 S H B O N E j b u s 置、“ _ 。 I S 蜘e 当i叫 |、| j 。；_ = | 。 咽 。S 糖托j i 一毫 一 一 s l 孙悖量 悃 S I a 幢J咂 图2 5I P 核构架 D u t y c y c l e 整个I P 使用W I S H B O N ES O C 互连构架。它是一种开源的片上互连构架【25 1 。它的 目的是让不同的口核能够使用一个相同的接口，这样可以化简S O C 集成时的难度，提 高每个I P 核的复用性和可靠性，缩短t i I l l e t o m a r k e t 。构架只以逻辑和信号的形式进行 描述，而未对电学特性与互连的电路结构进行定义。现在有很多开源C P U 和计算机外 设都会带有W I S H B O N E 接口。在开源I P 核发布平台O p e n C o r e s 上可以找到很多这样 的设计。 主控模块是整个I P 的核心，它的作用是读取A D C 的反馈，判断灯所处的状态，选 取相对应的控制策略，根据不同的控制策略向P w M 、t i m e r 和P I D 等外设发送相应的控 制信号或修改它们内部的特殊寄存器，改变外设对电子镇流器相应M O S 开关的控制信 号输出，最终达到控制电子镇流器输出电流和电压的目的。 P W M 为脉宽调制器，它根据主控设备提供的周期和占空比产生对应的脉宽调制信 号。图中P W MO 为全桥提供脉宽调制信号，P W M1 为反激变换器提供脉宽调制信号。 T i m e r 为定时器。它根据主控设备提供的时间进行定时，并在结束时产生中断请求 信号。 P I D 为反馈控制器，实现P I D 控制算法。在本I P 中的作用是根据目标灯电流和现在 7 2H I D 汽车前照灯电子镇流器控制口核构架 硕士论文 灯电流只差计算反激变换器的开关信号占空比。 2 3 本章小结 经过本章第一部分的分析，我们了解到I P 核的功能是： 1 读取A D C 输出，以检测电子镇流器输出电压和电流值； 2 根据电子镇流器输出电压和电流值判断灯所处的状态； 3 根据灯所处的状态选取正确的控制策略，发送正确的脉宽调制信号( P W M 信号) 给 直流直流升压电路和直流交流逆变电路。 为了实现所有功能，I P 核需要设计为一个有多个模块组合成的片上系统( S o C ) 。整 个系统包含主控模块( A H B C ) 、R O M 、P W M 、t i m e r 、P I D 控制器、A D C 和W I S H B O N E 总线。其中主控模块、P I D 控制器和P w M 是下文研究与设计的对象。对与R O M 和A D C ， 在这里将不做研究，只在W I S 耶O N E 总线上预留相应端口，以在使用I P 核时与特定 片上或片外资源相连，端口必须满足W I S H B O N E 构架，如不满足用户可以自行设计胶 水逻辑。 硕士论文 H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制I P 核研究 3P I D 控制器设计 P I D 控制器( p o n i o n a l 一i n t e g r a l - d e r i v a t i v ec o n t r o l l e r ，P I Dc o n t r 0 1 l e r ) 是一种在工业 控制系统中常用的反馈回路部件。P I D 控制器计算过程变量( P V ，m e a s u r e dp r o c e s s v a r i a b l e ) 与设定点( S P ，d e s i r e ds e tp o i n t ) 的差值( e r r o r ) ，并通过改变过程输入来使 差值最小化。 P I D 控制算法需要三个参量：比例、积分与导数，用P 、I 和D 表示。P 由目前的 差值来决定，I 是过去差值的累积，D 是对未来差值的预测。三项的和用来调整过程的 控制输入如：阀门位置，加热设备的能量输入。 3 1P I D 控制器算法 图3 1P I D 控制器框图 P I D 控制输出u ( t ) 是由比例、积分与导数三部分相加得到，公式如下 u ( t ) = M V ( t ) _ K p e ( t ) + K i 胁灿+ K d 掣 ， u ( t ) = M V ( t ) = K p e ( t ) + K i 上e ( T ) d ，c + K d 二未 ( 3 1 ) K p ：比例增益，调节量。 K ：积分增益，调节量。 K d ：导数增益，调节量。 e ：差值= x ( t ) 一y ( t ) 。 t ：时间。 3P I D 控制器设计 硕士论文 比例项 比例项以当前的差值按一定比例对输出产生影响，大小可由K p 进行调节。比例项 表示为：只= K p 已( f ) ( 3 2 ) 如果比例增益太大系统会变得不稳地。相反如果比例增益过小系统将变得不灵敏。 图3 2P V V s t i m e ，K p 有三个取值，K ，、K d 保持不变 积分项 积分项对输出产生的影响来自于对过去的差值的累积乘以增益。这样的累积产生一个用 于减小差值的偏移量。 积分项表示为：，删= K ，f e ( f 矽丁 ( 3 3 ) 1 0 硕士论文H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制I P 核研究 图3 3P V V s t i m e ，K f 有三个取值，K 。、K d 保持不变 积分项加速过程朝设定点的运动，并且去除了单纯比例控制器的稳定状态残留偏 差。但是由于是对过去差值的累积，会造成现在值超过设定值。 导数项 导数项对输出的贡献由差值的变化速度乘以增益决定。 导数项表示为：D 。讲：K d 掣( 3 4 ) K d ：0 5 f e f e r e n c es I g n a I 、K d 。2 、蒸， 0二 4 601 C13 1 ：61 S2 0 图3 4P V V s t i m e ，K d 有三个取值，K p 、K ，保持不变 导数项减慢了控制器输出变化速度，也用于控制积分项造成的o v e r s h o o t ，并且可以增 加控制器与过程的整体稳定性。但导数项降低了控制器的传输响应，并且信号的差分放 1 1 3 P I D 控制器设计 硕士论文 大了噪音。当噪声和导数增益很大时可能造成系统不稳定。 3 2 数字P I D 控制器 式( 3 1 ) 的传姻姚邵) = 器啦+ 等蝎5 ) 如图3 5 所示传递函数有两个零点一个在原点的极点，在低频高增益可以降低D C 误差， 而为了降低噪声干扰高频的高增益应该避免。所以传递函数经常被做一些变化使得在高 频再加一个极点( 邱2 ，虚线表示的传递函数) 图3 5 模拟P I D 传递函数 下一步要把模拟P I D 转换成离散时间形式。利用式( 3 6 ) 把s 域转化为z 域1 8 1 。 s 一晕 ( 3 6 ) T 为采样周期s 一 ( 3 6 ) 。l 。为米样周； I j 丁 一一 得z 域中的传递函数为： 酢M p + 等牟( 1 ( 3 7 ) j U ( z ) ( 1 一z 一1 ) = K 爿+ K B z 一1 + K c z 一2 E ( z ) ( 3 8 ) 式中耻即即牟；耻邓p + 争；= 等 对式( 3 8 ) 作反z 变换，回到时域的式： “( ，z ) = “( 刀一1 ) + K 。e ( ，z ) + K 。P ( 门一1 ) + K r P ( 聆一2 ) ( 3 9 ) 硕士论文 H I D 汽车前照灯电子镇流器数字控制I P 核研究 令T = 1 得： 甜( 托) = “( 聆一1 ) + ( K | 口+ K f + K d ) P ( 胛) 一( K p + 2 髟) P ( 行一1 ) + K d P ( 胛一2 ) ( 3 1 0 ) 在K 一、K 日、K c 提前计算好的情况下，由式3 1 0 可得算法构架1 。算法构架1 进 行一次运算需要进行3 次乘法运算和4 次加法运算。 图3 6 算法构架1 数据流框图 对式( 3 1 0 ) 进行变换得： u ( n ) = u ( n 一1 ) + K 。 e ( n ) 一e ( n 一1 ) 】+ K i e ( n ) + K d e ( n ) 一e ( n 一1 ) 卜 e ( n 一1 ) 一e ( n 一2 ) ) = u ( n ) = u ( n 一2 ) + K 。【e ( n 一1 ) 一e ( n 一2 ) + K i e ( n 一1 ) + K d e ( n 一1 ) 一e ( n 一2 ) 一【e ( n 一2 ) 一e ( n 一3 ) ) + K 。 e ( n ) 一e ( n 一1 ) 】+ K i e ( n ) + K d e ( n ) 一e ( n 一1 ) 一【e ( n 一1 ) 一e ( n 一2 ) ) j u ( n ) = u ( n 一2 ) + K 。 e ( n ) 一e ( n 一2 ) + K i 【e ( n ) + e ( n 一1 ) + K d e ( n ) 一e ( n 一1 ) 卜 e ( n 一2 ) 一e ( n 一3 ) 】) ： j L u ( n ) = K p e ( n ) + K j e (