S3C4480在高精度直流開關(guān)電源設(shè)計中的應(yīng)用

2 PWM控制原理

采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖列來代替正弦波或其他所需要的波形,并按照一定的規(guī)則對各個脈沖的寬度進行調(diào)制。

在本系統(tǒng)中,PWM波形由中央處理器S3C4480的時鐘TIMER0輸出口T0UTO輸出。由于要求輸出頻率30 kHz的PWM波,且精度在千分之一,所以通過設(shè)置TCFGO和TCFGl寄存器的設(shè)置,將4BIT分頻器設(shè)置為O．5,預(yù)定標寄存器設(shè)置為l,計數(shù)比較寄存器TCNTB0設(shè)置為1000,這樣,在S3C4480主頻于66MHz時,TOUT0輸出的PWM波頻率為30 kHz。當TIMER0開始計時后,每次TCNTB0的值與定時器的向下計數(shù)器值相同時,定時器控制PWM波電平改變。使得修改TC-NTB0的值可以控制PWM波的占空比,增加或者減少1,則PWM輸出占空比增加或者減少千分之一,從而達到千分之一精度。圖2為輸出的PWM波形圖,我們可以看出,通過專用的定時器輸出口TOUTO輸出的PWM波形,波形很好,經(jīng)過測試,上升沿與下降沿均在ns級。

3 PID算法與軟件流程圖

3．1 主程序軟件流程

由于采用了嵌入式ARM芯片,使得在系統(tǒng)軟件實現(xiàn)中主要以C語言進行驅(qū)動和應(yīng)用程序的開發(fā),僅在CPU初始化階段使用ARM匯編語言。使用ARM S3C44BO芯片外擴了2M FLASH,8M SDRAM大容量存儲器,完全滿足了系統(tǒng)程序運行和數(shù)據(jù)的存儲,這樣充分發(fā)揮了S3C4—480 ARM嵌入式系統(tǒng)存儲器容量大,軟件編程簡單,速度快,精度高的優(yōu)勢。數(shù)字控制系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

在系統(tǒng)開機后,首先要檢測系統(tǒng)外圍設(shè)備的狀態(tài)是否正常,以免出現(xiàn)故障。在系統(tǒng)運行中,為了防止軟件跑飛,還需要開啟看門狗功能,加入喂狗程序,這樣軟件上保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在ADC部分對采樣值進行均值濾波,保證采樣值的正確與穩(wěn)定。

3.2 PID控制算法

在自動控制技術(shù)中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制,簡稱PID控制,又稱Pm調(diào)節(jié)。其原理的關(guān)鍵是測量、比較和執(zhí)行。PID控制器將測量受控對象(在本系統(tǒng)中即電壓電流值)與設(shè)定值相比較,用這個誤差來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。

在電源數(shù)字PID控制系統(tǒng)中,使用比例環(huán)節(jié)控制電壓電流的輸出與輸入誤差信號成比例改變,但是實際值與給定值通常會存在偏差,這個偏差稱作穩(wěn)態(tài)誤差。因此,需要引入積分環(huán)節(jié)的消除穩(wěn)態(tài)誤差功能提高精度,但是考慮到電源系統(tǒng)開機、關(guān)機或大幅增加電壓電流工作設(shè)定值時,產(chǎn)生積分積累,就會引起電壓電流超調(diào),甚至在給定值上下振蕩。所以為減小在運行過程中積分環(huán)節(jié)對電壓電流動態(tài)性能的影響,采用了積分分離PID控制電壓電流,即當電壓電流與設(shè)定工作值的誤差小于一個范圍時,再采用積分環(huán)節(jié)去消除系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。

積分分離PID控制算法需設(shè)定積分分離閥ε,當l e(k)│>ε時,即偏差值較大時,僅采用PD控制環(huán)節(jié),減少超調(diào)量,使系統(tǒng)有較快響應(yīng);當l e(k)l≤ε時,即偏差值比較小時,采用PID控制,以保證電壓電流精度和穩(wěn)定度。在開機后,按照固定步長打開PWM波寬度,使得電壓升高。在達到設(shè)定值一定范圍后,為防止電壓過沖,需要加入積分分離PID控制算法進行控制,防止電壓超調(diào)。在電壓達到千分之一進度范圍后,需要加入積分環(huán)節(jié),完成電源開機時迅速穩(wěn)定的輸出。PID算法流程如圖3所示。