0 引言
近年來，嵌入式技術(shù)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(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)來控制M0S管,、IGBT等開關(guān)器件的開通與關(guān)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(guān)系到整個電子系統(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(guān)電源控制系統(tǒng)。
l 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(diào)試,，也便于自診斷,、容錯等技術(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,，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(qū)動波形調(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(gòu)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(guān)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(gòu)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(fù)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0．03 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(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(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)在軟件或硬件出錯的情況下自動復(fù)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(nèi)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(yīng)。S3C44BO帶有外部存儲器接口,，通過外擴FLAsH SST39VF160和SDRAM HY641620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(shè)計精度要求千分之一，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[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(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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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,。
4 結(jié)語
嵌入式ARM芯片S3C4480在高精度開關(guān)電源數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)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(diào)試，提高了系統(tǒng)的可靠性,。該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試證明,，設(shè)計合理、運行可靠，為廠家實現(xiàn)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(chǎn)品的性能,。