高精度直流開關電源中控制應用

中心議題：

?直流開關電源中控制系統(tǒng)硬件架構

?直流開關電源中PWM控制原理

?控制PID算法與軟件流程圖

解決方案：

?外擴的大容量存儲器

?2個異步串行接口(UART)

?內嵌的lIC接口控制器

近年來，嵌入式技術發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)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(xiàn)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(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電源控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件架構

隨著數(shù)字電路和半導體工藝日趨完善成熟，數(shù)字信號、數(shù)字電路在應用中所占比例越來越大，同時顯現(xiàn)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(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轉換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變?yōu)閿?shù)字量供給S3C44BO進行數(shù)字PlD運算，經(jīng)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(xiàn)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59MIPS，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(xiàn)精度高達0．03μs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(xiàn)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(shù)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。

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30kHz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(shù)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30kHz。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。

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ARMS3C44BO芯片外擴了2MFLASH，8MSDRAM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—480ARM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3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(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。