|
0 引言 近年來(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現了以單片機、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)域得到了廣泛應用。電源行業(yè)也開(kāi)始采用內部集成資源豐富的嵌入式控制器來(lái)構成大型開(kāi)關(guān)電源的控制系統。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)現電壓電流穩定輸出，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電子系統的工作性能指標。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片，應用到開(kāi)關(guān)電源的控制系統的設計中，采用C語(yǔ)言和少量匯編語(yǔ)言，就可以實(shí)現一種以嵌入式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。 l 系統硬件架構 隨著(zhù)數字電路和半導體工藝日趨完善成熟，數字信號、數字電路在應用中所占比例越來(lái)越大，同時(shí)顯現出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：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(shù)的植入。隨著(zhù)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(jìn)一步提高，使得電源控制系統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驅動(dòng)波形調節輸出電壓。輸出電壓通過(guò)對大容量鉭電容充放電，給負載提供穩定的高電壓大電流輸出，供工廠(chǎng)進(jìn)行電鍍使用。電源的控制系統硬件架構如圖1所示。 本系統包括PID控制器，PWM輸出，AD采樣，構成單閉環(huán)系統。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)閿底至抗┙oS3C44BO進(jìn)行數字PlD運算，經(jīng)過(guò)PID控制運算后，由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構成一個(gè)閉環(huán)系統，控制電壓電流穩定輸出，從而實(shí)現開(kāi)關(guān)電源控制系統。 對于PID運算和PWM波輸出模塊，要求較高。通過(guò)計算和考查，我們選取了，SAMSUNC公司的S3C4480，這是一款32位基于A(yíng)RM7TDtMI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(mǎn)足復雜PID控制器運算的實(shí)時(shí)性要求； 16位的定時(shí)器，可實(shí)現精度高達0．03 μs的PWM脈沖波，并且有防死區(DEADZONE)功能； 外部中斷源多達8個(gè)，可以對系統外部故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示在LCD上； 多達71個(gè)通用10口線(xiàn)，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信息保存在EEPROM中，為系統操作員提供參考； 內部的看門(mén)狗功能可使系統在軟件或硬件出錯的情況下自動(dòng)復位，保證了系統的安全正常運行； 2個(gè)異步串行接口(UART)可以方便地實(shí)現和上位機的通信； 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(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(chǎng)家傳統的5l系列單片機與LED數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(gè)外部中斷，滿(mǎn)足對過(guò)流，過(guò)壓，缺相，超溫等特殊情況的即時(shí)停機響應。S3C44BO帶有外部存儲器接口，通過(guò)外擴FLAsH SST39VF160和SDRAM HY641620保證了本數字控制系統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(guò)SIO同步端口與CPU連接。AD7705的配置可見(jiàn)參考文獻[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)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結論為理論基礎，對半導體開(kāi)關(guān)器件的導通和關(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，并按照一定的規則對各個(gè)脈沖的寬度進(jìn)行調制。 在本系統中，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，計數比較寄存器TCNTB0設置為1000，這樣，在S3C4480主頻于66MHz時(shí)，TOUT0輸出的PWM波頻率為30 kHz。當TIMER0開(kāi)始計時(shí)后，每次TCNTB0的值與定時(shí)器的向下計數器值相同時(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，使得在系統軟件實(shí)現中主要以C語(yǔ)言進(jìn)行驅動(dòng)和應用程序的開(kāi)發(fā)，僅在CPU初始化階段使用ARM匯編語(yǔ)言。使用ARM S3C44BO芯片外擴了2M FLASH，8M SDRAM大容量存儲器，完全滿(mǎn)足了系統程序運行和數據的存儲，這樣充分發(fā)揮了S3C4—480 ARM嵌入式系統存儲器容量大，軟件編程簡(jiǎn)單，速度快，精度高的優(yōu)勢。數字控制系統軟件流程如圖2所示。 在系統開(kāi)機后，首先要檢測系統外圍設備的狀態(tài)是否正常，以免出現故障。在系統運行中，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的可靠性和穩定性。在A(yíng)DC部分對采樣值進(jìn)行均值濾波，保證采樣值的正確與穩定。 3.2 PID控制算法 在自動(dòng)控制技術(shù)中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)Pm調節。其原理的關(guān)鍵是測量、比較和執行。PID控制器將測量受控對象(在本系統中即電壓電流值)與設定值相比較，用這個(gè)誤差來(lái)調節系統的響應。 在電源數字PID控制系統中，使用比例環(huán)節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(chēng)作穩態(tài)誤差。因此，需要引入積分環(huán)節的消除穩態(tài)誤差功能提高精度，但是考慮到電源系統開(kāi)機、關(guān)機或大幅增加電壓電流工作設定值時(shí)，產(chǎn)生積分積累，就會(huì )引起電壓電流超調，甚至在給定值上下振蕩。所以為減小在運行過(guò)程中積分環(huán)節對電壓電流動(dòng)態(tài)性能的影響，采用了積分分離PID控制電壓電流，即當電壓電流與設定工作值的誤差小于一個(gè)范圍時(shí)，再采用積分環(huán)節去消除系統比例環(huán)節產(chǎn)生的穩態(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(shí)，即偏差值較大時(shí)，僅采用PD控制環(huán)節，減少超調量，使系統有較快響應；當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定度。在開(kāi)機后，按照固定步長(cháng)打開(kāi)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(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。在電壓達到千分之一進(jìn)度范圍后，需要加入積分環(huán)節，完成電源開(kāi)機時(shí)迅速穩定的輸出。PID算法流程如圖3所示。 4 結語(yǔ) 嵌入式ARM芯片S3C4480在高精度開(kāi)關(guān)電源數字控制系統設計中的應用，充分利用該芯片上強大的資源，簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了軟件開(kāi)發(fā)速度，方便了軟硬件調試，提高了系統的可靠性。該系統經(jīng)現場(chǎng)調試證明，設計合理、運行可靠，為廠(chǎng)家實(shí)現了5l系列8位單片機到ARM 32位系統的升級，降低了成本并提高了產(chǎn)品的性能。 |
