引言
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(zhuān)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)。開(kāi)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(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?！ ?/p>
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(kāi)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(kāi)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)59 MIPS，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)0．03 μs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(mén)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)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(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。
2 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(kāi)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30 kHz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30 kHz,。當(dāng)TIMER0開(kāi)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(zhuān)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)。
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(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(kāi)發(fā),，僅在CPU初始化階段使用ARM匯編語(yǔ)言。使用ARM S3C44BO芯片外擴(kuò)了2M FLASH,，8M SDRAM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—480 ARM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2所示,。
在系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)啟看門(mén)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,。
3.2 PID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(jiǎn)稱(chēng)PID控制,，又稱(chēng)Pm調(diào)節(jié),。其原理的關(guān)鍵是測(cè)量、比較和執(zhí)行,。PID控制器將測(cè)量受控對(duì)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(lái)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(hào)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(chēng)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(kāi)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(guò)程中積分環(huán)節(jié)對(duì)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)l e(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)l e(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(kāi)機(jī)后,，按照固定步長(zhǎng)打開(kāi)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(guò)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(kāi)機(jī)時(shí)迅速穩(wěn)定的輸出,。PID算法流程如圖3所示。
4 結(jié)語(yǔ)
嵌入式ARM芯片S3C4480在高精度開(kāi)關(guān)電源數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,，充分利用該芯片上強(qiáng)大的資源,，簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了軟件開(kāi)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(chǎng)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ARM 32位系統(tǒng)的升級(jí),，降低了成本并提高了產(chǎn)品的性能,。