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,、數(shù)字電路在應(yīng)用中所占比例越來越大，同時(shí)顯現(xiàn)出越來越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制,、減小信號的干擾,、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,。

　　本電源對輸出的電壓電流信號進(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,。輸出電壓通過對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由模擬信號量變?yōu)閿?shù)字量供給S3C44BO進(jìn)行數(shù)字PlD運(yùn)算,，經(jīng)過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),。

　　對于PID運(yùn)算和PWM波輸出模塊，要求較高,。通過計(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如表1所列。8個(gè)外部中斷,，滿足對過流,，過壓，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SIO同步端口與CPU連接,。 AD7705的配置可見參考文獻(xiàn)[7]，這里不再說明,。

　　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(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,，通過專用的定時(shí)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

　　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(jī)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(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部分對采樣值進(jìn)行均值濾波,，保證采樣值的正確與穩(wěn)定,。

　　3.2PID控制算法

　　在自動(dòng)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(gè)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(shí)際值與給定值通常會(huì)存在偏差，這個(gè)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(jī)、關(guān)機(jī)或大幅增加電壓電流工作設(shè)定值時(shí),，產(chǎn)生積分積累,，就會(huì)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(yùn)行過程中積分環(huán)節(jié)對電壓電流動(dòng)態(tài)性能的影響,，采用了積分分離PID控制電壓電流，即當(dāng)電壓電流與設(shè)定工作值的誤差小于一個(gè)范圍時(shí),，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(dāng)le(k)│>ε時(shí),，即偏差值較大時(shí),，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(dāng)le(k)l≤ε時(shí),，即偏差值比較小時(shí)，采用PID 控制,，以保證電壓電流精度和穩(wěn)定度,。在開機(jī)后，按照固定步長打開PWM波寬度,，使得電壓升高,。在達(dá)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(jìn)行控制,，防止電壓超調(diào)。在電壓達(dá)到千分之一進(jìn)度范圍后,，需要加入積分環(huán)節(jié),，完成電源開機(jī)時(shí)迅速穩(wěn)定的輸出。PID算法流程如圖3所示,。

　　結(jié)論

　　該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試證明,，設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠,，為廠家實(shí)現(xiàn)了5l系列8位單片機(jī)到ARM32位系統(tǒng)的升級,，降低了成本并提高了產(chǎn)品的性能。