S3C44B0在高精度直流開關電源中的應用

0 引言

　　近年來，嵌入式技術發(fā)展極為迅速，出現了以單片機、專用嵌入式ARM為核心的高集成度處理器，并在通信、自動化、電力電子等領域得到了廣泛應用。電源行業(yè)也開始采用內部集成資源豐富的嵌入式控制器來構成大型開關電源的控制系統(tǒng)。開關電源是效率較高的一種電源，是由占空比可凋的脈寬調制波(PWM)來控制M0S管、IGBT等開關器件的開通與關閉，從而實現電壓電流穩(wěn)定輸出，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個電子系統(tǒng)的工作性能指標。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片，應用到開關電源的控制系統(tǒng)的設計中，采用C語言和少量匯編語言，就可以實現一種以嵌入式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電源控制系統(tǒng)。

l 系統(tǒng)硬件架構

　　隨著數字電路和半導體工藝日趨完善成熟，數字信號、數字電路在應用中所占比例越來越大，同時顯現出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、減小信號的干擾、提高抗干擾能力、便于調試，也便于自診斷、容錯等技術的植入。隨著嵌入式處理器主頻的提升，片內控制功能的增強，PWM波形頻率與精度的進一步提高，使得電源控制系統(tǒng)的集成度與精度得以提高。

　　本電源對輸出的電壓電流信號進行采樣，進行PID控制，最后輸出PWM驅動波形調節(jié)輸出電壓。輸出電壓通過對大容量鉭電容充放電，給負載提供穩(wěn)定的高電壓大電流輸出，供工廠進行電鍍使用。電源的控制系統(tǒng)硬件架構如圖1所示。

　　本系統(tǒng)包括PID控制器，PWM輸出，AD采樣，構成單閉環(huán)系統(tǒng)。前端三相交流電源輸入到開關電源整流模塊，經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轉換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變?yōu)閿底至抗┙oS3C44BO進行數字PlD運算，經過PID控制運算后，由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，控制電壓電流穩(wěn)定輸出，從而實現開關電源控制系統(tǒng)。

　　對于PID運算和PWM波輸出模塊，要求較高。通過計算和考查，我們選取了，SAMSUNC公司的S3C4480，這是一款32位基于ARM7TDtMI架構的CPU，擁有高達59MIPS的運算速度，其具體功能特性如下：

　　運算速度高達59 MIPS，完全滿足復雜PID控制器運算的實時性要求；

　　16位的定時器，可實現精度高達0．03 μs的PWM脈沖波，并且有防死區(qū)(DEADZONE)功能；
外部中斷源多達8個，可以對系統(tǒng)外部故障信息進行實時響應；

　　內部嵌入了LCD)控制器，并擁有DMA通道，使得電壓電流值可以實時顯示在LCD上；

　　多達71個通用10口線，可以方便地擴展外部接口；

　　內嵌的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；

　　內部的看門狗功能可使系統(tǒng)在軟件或硬件出錯的情況下自動復位，保證了系統(tǒng)的安全正常運行；

　　2個異步串行接口(UART)可以方便地實現和上位機的通信；

　　外擴的大容量存儲器為軟件提供j，充足的空間。

　　首先系統(tǒng)采用觸摸屏和LCD作為人機接口。S3C44BO內部集成了LCD控制器，可支持高達320×240分辨率，256色sTN—LCD)，并通過DMA通道與CPU相連，可以快速動態(tài)地顯示彩色圖形，替代了廠家傳統(tǒng)的5l系列單片機與LED數碼管組成的人機接口，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如表1所列。

　　8個外部中斷，滿足對過流，過壓，缺相，超溫等特殊情況的即時停機響應。S3C44BO帶有外部存儲器接口，通過外擴FLAsH SST39VF160和SDRAM HY641620保證了本數字控制系統(tǒng)有足夠的空間保存和運行程序。由于設計精度要求千分之一，未選用S3C4480片內IOBIT—ADC，而是選用了AD7705這款雙通道、168IT△一∑的ADC，并通過SIO同步端口與CPU連接。AD7705的配置可見參考文獻[7]，這里不再說明。

2 PWM控制原理

　　采樣控制理論中有一個重要結論：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控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，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，所以通過設置TCFGO和TCFGl寄存器的設置，將4BIT分頻器設置為O．5，預定標寄存器設置為l，計數比較寄存器TCNTB0設置為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)軟件實現中主要以C語言進行驅動和應用程序的開發(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)程序運行和數據的存儲，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)外圍設備的狀態(tài)是否正常，以免出現故障。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

　　在自動控制技術中，應用最為廣泛的調節(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調節(jié)。其原理的關鍵是測量、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)與設定值相比較，用這個誤差來調節(jié)系統(tǒng)的響應。

　　在電源數字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、關機或大幅增加電壓電流工作設定值時，產生積分積累，就會引起電壓電流超調，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)產生的穩(wěn)態(tài)誤差。

　　積分分離PID控制算法需設定積分分離閥ε，當l e(k)│>ε時，即偏差值較大時，僅采用PD控制環(huán)節(jié)，減少超調量，使系統(tǒng)有較快響應；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。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。

4 結語

　　嵌入式ARM芯片S3C4480在高精度開關電源數字控制系統(tǒng)設計中的應用，充分利用該芯片上強大的資源，簡化了硬件電路，提高了軟件開發(fā)速度，方便了軟硬件調試，提高了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)經現場調試證明，設計合理、運行可靠，為廠家實現了5l系列8位單片機到ARM 32位系統(tǒng)的升級，降低了成本并提高了產品的性能。