高精度直流开关电源中控制应用
摘要:随着数字电路和半导体工艺日趋完善成熟,数字信号、数字电路在应用中所占比例越来越大,同时显现出越来越多的优点:便于计算机处理控制、减小信号的干扰、提高抗干扰能力、便于调试,也便于自诊断、容错等技术的植入。随着嵌入式处理器主频的提升,片内控制功能的增强,PWM波形频率与精度的进一步提高,使得电源控制系统...
随着数字电路和半导体工艺日趋完善成熟,数字信号、数字电路在应用中所占比例越来越大,同时显现出越来越多的优点:便于计算机处理控制、减小信号的干扰、提高抗干扰能力、便于调试,也便于自诊断、容错等技术的植入。随着嵌入式处理器主频的提升,片内控制功能的增强,PWM波形频率与精度的进一步提高,使得电源控制系统的集成度与精度得以提高。
本电源对输出的电压电流信号进行采样,进行PID控制,最后输出PWM驱动波形调节输出电压。输出电压通过对大容量钽电容充放电,给负载提供稳定的高电压大电流输出,供工厂进行电镀使用。电源的控制系统硬件架构如图1所示。
首先系统采用触摸屏和LCD作为人机接口。S3C44BO内部集成了LCD控制器,可支持高达320×240分辨率,256色sTN—LCD),并通过DMA通道与CPU相连,可以快速动态地显示彩色图形,替代了厂家传统的5l系列单片机与LED数码管组成的人机接口,使工人操作更加方便。S3C44BO外部GPIO接口,町以提供多种外部信号如表1所列。
8个外部中断,满足对过流,过压,缺相,超温等特殊情况的即时停机响应。S3C44BO带有外部存储器接口,通过外扩FLAsHSST39VF160和SDRAMHY641620保证了本数字控制系统有足够的空间保存和运行程序。由于设计精度要求千分之一,未选用S3C4480片内IOBIT—ADC,而是选用了AD7705这款双通道、168IT△一∑的ADC,并通过SIO同步端口与CPU连接。AD7705的配置可见参考文献[7],这里不再说明。
PWM控制原理
采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲列来代替正弦波或其他所需要的波形,并按照一定的规则对各个脉冲的宽度进行调制。
在本系统中,PWM波形由中央处理器S3C4480的时钟TIMER0输出口T0UTO输出。由于要求输出频率30kHz的PWM波,且精度在千分之一,所以通过设置TCFGO和TCFGl寄存器的设置,将4BIT分频器设置为O.5,预定标寄存器设置为l,计数比较寄存器TCNTB0设置为1000,这样,在S3C4480主频于66MHz时,TOUT0输出的PWM波频率为30kHz。当TIMER0开始计时后,每次TCNTB0的值与定时器的向下计数器值相同时,定时器控制PWM波电平改变。使得修改TC-NTB0的值可以控制PWM波的占空比,增加或者减少1,则PWM输出占空比增加或者减少千分之一,从而达到千分之一精度。图2为输出的PWM波形图,我们可以看出,通过专用的定时器输出口TOUTO输出的PWM波形,波形很好,经过测试,上升沿与下降沿均在ns级。
PID算法与软件流程图
3.1主程序软件流程
由于采用了嵌入式ARM芯片,使得在系统软件实现中主要以C语言进行驱动和应用程序的开发,仅在CPU初始化阶段使用ARM汇编语言。使用ARMS3C44BO芯片外扩了2MFLASH,8MSDRAM大容量存储器,完全满足了系统程序运行和数据的存储,这样充分发挥了S3C4—480ARM嵌入式系统存储器容量大,软件编程简单,速度快,精度高的优势。数字控制系统软件流程如图3所示。
在系统开机后,首先要检测系统外围设备的状态是否正常,以免出现故障。在系统运行中,为了防止软件跑飞,还需要开启看门狗功能,加入喂狗程序,这样软件上保证系统的可靠性和稳定性。在ADC部分对采样值进行均值滤波,保证采样值的正确与稳定。
3.2PID控制算法
在自动控制技术中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)、微分(D)控制,简称PID控制,又称Pm调节。其原理的关键是测量、比较和执行。PID控制器将测量受控对象(在本系统中即电压电流值)与设定值相比较,用这个误差来调节系统的响应。
在电源数字PID控制系统中,使用比例环节控制电压电流的输出与输入误差信号成比例改变,但是实际值与给定值通常会存在偏差,这个偏差称作稳态误差。因此,需要引入积分环节的消除稳态误差功能提高精度,但是考虑到电源系统开机、关机或大幅增加电压电流工作设定值时,产生积分积累,就会引起电压电流超调,甚至在给定值上下振荡。所以为减小在运行过程中积分环节对电压电流动态性能的影响,采用了积分分离PID控制电压电流,即当电压电流与设定工作值的误差小于一个范围时,再采用积分环节去消除系统比例环节产生的稳态误差。
积分分离PID控制算法需设定积分分离阀ε,当le(k)│>ε时,即偏差值较大时,仅采用PD控制环节,减少超调量,使系统有较快响应;当le(k)l≤ε时,即偏差值比较小时,采用PID控制,以保证电压电流精度和稳定度。在开机后,按照固定步长打开PWM波宽度,使得电压升高。在达到设定值一定范围后,为防止电压过冲,需要加入积分分离PID控制算法进行控制,防止电压超调。在电压达到千分之一进度范围后,需要加入积分环节,完成电源开机时迅速稳定的输出。PID算法流程如图3所示。
嵌入式ARM芯片S3C4480在高精度开关电源数字控制系统设计中的应用,充分利用该芯片上强大的资源,简化了硬件电路,提高了软件开发速度,方便了软硬件调试,提高了系统的可靠性。该系统经现场调试证明,设计合理、运行可靠,为厂家实现了5l系列8位单片机到ARM32位系统的升级,降低了成本并提高了产品的性能。
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