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(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(nèi)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(diào)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)。

　　l 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(diào)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(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(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(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；
• 　　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。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控制技術就是以該結(jié)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(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30 kHz。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。

　　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。

　　3.2 PID控制算法

　　在自動控制技術中，應用最為廣泛的調(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(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應。

　　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、關機或大幅增加電壓電流工作設定值時，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(chǎn)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(diào)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(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在高精度開關電源數(shù)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(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。