高精度直流開關(guān)電源中控制應(yīng)用

中心議題：

?直流開關(guān)電源中控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

?直流開關(guān)電源中PWM控制原理

?控制PID算法與軟件流程圖

解決方案：

?外擴(kuò)的大容量存儲(chǔ)器

?2個(gè)異步串行接口(UART)

?內(nèi)嵌的lIC接口控制器

近年來(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了以單片機(jī)、專用嵌入式ARM為核心的高集成度處理器，并在通信、自動(dòng)化、電力電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電源行業(yè)也開始采用內(nèi)部集成資源豐富的嵌入式控制器來(lái)構(gòu)成大型開關(guān)電源的控制系統(tǒng)。開關(guān)電源是效率較高的一種電源，是由占空比可凋的脈寬調(diào)制波(PWM)來(lái)控制M0S管、IGBT等開關(guān)器件的開通與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)電壓電流穩(wěn)定輸出，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電子系統(tǒng)的工作性能指標(biāo)。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片，應(yīng)用到開關(guān)電源的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用C語(yǔ)言和少量匯編語(yǔ)言，就可以實(shí)現(xiàn)一種以嵌入式ARM處理器為核心、具有智能PID控制器以及觸摸屏、液晶顯示器等功能的開關(guān)電源控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)

隨著數(shù)字電路和半導(dǎo)體工藝日趨完善成熟，數(shù)字信號(hào)、數(shù)字電路在應(yīng)用中所占比例越來(lái)越大，同時(shí)顯現(xiàn)出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、減小信號(hào)的干擾、提高抗干擾能力、便于調(diào)試，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。隨著嵌入式處理器主頻的提升，片內(nèi)控制功能的增強(qiáng)，PWM波形頻率與精度的進(jìn)一步提高，使得電源控制系統(tǒng)的集成度與精度得以提高。

本電源對(duì)輸出的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣，進(jìn)行PID控制，最后輸出PWM驅(qū)動(dòng)波形調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓通過(guò)對(duì)大容量鉭電容充放電，給負(fù)載提供穩(wěn)定的高電壓大電流輸出，供工廠進(jìn)行電鍍使用。電源的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)包括PID控制器，PWM輸出，AD采樣，構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)。前端三相交流電源輸入到開關(guān)電源整流模塊，經(jīng)整流濾波后輸出平穩(wěn)的直流電壓。該直流電壓直接輸出至IGBT模塊。高精度AD轉(zhuǎn)換器將后端輸出的電壓電流信號(hào)由模擬信號(hào)量變?yōu)閿?shù)字量供給S3C44BO進(jìn)行數(shù)字PlD運(yùn)算，經(jīng)過(guò)PID控制運(yùn)算后，由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，控制電壓電流穩(wěn)定輸出，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源控制系統(tǒng)。

對(duì)于PID運(yùn)算和PWM波輸出模塊，要求較高。通過(guò)計(jì)算和考查，我們選取了，SAMSUNC公司的S3C4480，這是一款32位基于ARM7TDtMI架構(gòu)的CPU，擁有高達(dá)59MIPS的運(yùn)算速度，其具體功能特性如下：

運(yùn)算速度高達(dá)59MIPS，完全滿足復(fù)雜PID控制器運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求；

16位的定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)0．03μs的PWM脈沖波，并且有防死區(qū)(DEADZONE)功能；

外部中斷源多達(dá)8個(gè)，可以對(duì)系統(tǒng)外部故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)；

內(nèi)部嵌入了LCD)控制器，并擁有DMA通道，使得電壓電流值可以實(shí)時(shí)顯示在LCD上；

多達(dá)71個(gè)通用10口線，可以方便地?cái)U(kuò)展外部接口；

內(nèi)嵌的lIC接口控制器可以將系統(tǒng)信息保存在EEPROM中，為系統(tǒng)操作員提供參考；

內(nèi)部的看門狗功能可使系統(tǒng)在軟件或硬件出錯(cuò)的情況下自動(dòng)復(fù)位，保證了系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行；

2個(gè)異步串行接口(UART)可以方便地實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信；

外擴(kuò)的大容量存儲(chǔ)器為軟件提供j，充足的空間。

首先系統(tǒng)采用觸摸屏和LCD作為人機(jī)接口。S3C44BO內(nèi)部集成了LCD控制器，可支持高達(dá)320×240分辨率，256色sTN—LCD)，并通過(guò)DMA通道與CPU相連，可以快速動(dòng)態(tài)地顯示彩色圖形，替代了廠家傳統(tǒng)的5l系列單片機(jī)與LED數(shù)碼管組成的人機(jī)接口，使工人操作更加方便。S3C44BO外部GPIO接口，町以提供多種外部信號(hào)如表1所列。

8個(gè)外部中斷，滿足對(duì)過(guò)流，過(guò)壓，缺相，超溫等特殊情況的即時(shí)停機(jī)響應(yīng)。S3C44BO帶有外部存儲(chǔ)器接口，通過(guò)外擴(kuò)FLAsHSST39VF160和SDRAMHY641620保證了本數(shù)字控制系統(tǒng)有足夠的空間保存和運(yùn)行程序。由于設(shè)計(jì)精度要求千分之一，未選用S3C4480片內(nèi)IOBIT—ADC，而是選用了AD7705這款雙通道、168IT△一∑的ADC，并通過(guò)SIO同步端口與CPU連接。AD7705的配置可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]，這里不再說(shuō)明。

PWM控制原理

采樣控制理論中有一個(gè)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(shí)，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(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)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(lái)代替正弦波或其他所需要的波形，并按照一定的規(guī)則對(duì)各個(gè)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制。

在本系統(tǒng)中，PWM波形由中央處理器S3C4480的時(shí)鐘TIMER0輸出口T0UTO輸出。由于要求輸出頻率30kHz的PWM波，且精度在千分之一，所以通過(guò)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(biāo)寄存器設(shè)置為l，計(jì)數(shù)比較寄存器TCNTB0設(shè)置為1000，這樣，在S3C4480主頻于66MHz時(shí)，TOUT0輸出的PWM波頻率為30kHz。當(dāng)TIMER0開始計(jì)時(shí)后，每次TCNTB0的值與定時(shí)器的向下計(jì)數(shù)器值相同時(shí)，定時(shí)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(dá)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(guò)專用的定時(shí)器輸出口TOUTO輸出的PWM波形，波形很好，經(jīng)過(guò)測(cè)試，上升沿與下降沿均在ns級(jí)。

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(shí)現(xiàn)中主要以C語(yǔ)言進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的開發(fā)，僅在CPU初始化階段使用ARM匯編語(yǔ)言。使用ARMS3C44BO芯片外擴(kuò)了2MFLASH，8MSDRAM大容量存儲(chǔ)器，完全滿足了系統(tǒng)程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這樣充分發(fā)揮了S3C4—480ARM嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器容量大，軟件編程簡(jiǎn)單，速度快，精度高的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字控制系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

在系統(tǒng)開機(jī)后，首先要檢測(cè)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(yùn)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(duì)采樣值進(jìn)行均值濾波，保證采樣值的正確與穩(wěn)定。