中心議題：

• 直流開關電源中控製係統硬件架構
• 直流開關電源中PWM控製原理
• 控製PID算法與軟件流程圖

解決方案：

• 外擴的大容量存儲器
• 2個異步串行接口(UART)
• 內嵌的lIC接口控製器

近年來，嵌入式技術發展極為迅速
，出現了以單片機、專用嵌入式ARM為核心的高集成度處理器，並在通信、自動化

、電力電子等領域得到了廣泛應用。電(dian)源(yuan)行(xing)業(ye)也(ye)開(kai)始(shi)采(cai)用(yong)內(nei)部(bu)集(ji)成(cheng)資(zi)源(yuan)豐(feng)富(fu)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)來(lai)構(gou)成(cheng)大(da)型(xing)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)是(shi)效(xiao)率(lv)較(jiao)高(gao)的(de)一(yi)種(zhong)電(dian)源(yuan)，是(shi)由(you)占(zhan)空(kong)比(bi)可(ke)凋(diao)的(de)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)波(bo)(PWM)來控製M0S管


、IGBT等開關器件的開通與關閉，從而實現電壓電流穩定輸出，其性能的優劣直接關係到整個電子係統的工作性能指標。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片
，應用到開關電源的控製係統的設計中，采用C語言和少量彙編語言，就可以實現一種以嵌入式ARM處理器為核心
、具有智能PID控製器以及觸摸屏
、液晶顯示器等功能的開關電源控製係統。
　　
係統硬件架構
　　
隨著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越大，同時顯現出越來越多的優點：便於計算機處理控製、減小信號的幹擾、提高抗幹擾能力、便於調試，也便於自診斷、容錯等技術的植入。隨著嵌入式處理器主頻的提升
，片內控製功能的增強

，PWM波形頻率與精度的進一步提高，使得電源控製係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行采樣，進行PID控製，最後輸出PWM驅(qu)動(dong)波(bo)形(xing)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)通(tong)過(guo)對(dui)大(da)容(rong)量(liang)鉭(tan)電(dian)容(rong)充(chong)放(fang)電(dian)，給(gei)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)的(de)高(gao)電(dian)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)

，供(gong)工(gong)廠(chang)進(jin)行(xing)電(dian)鍍(du)使(shi)用(yong)。電(dian)源(yuan)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)硬(ying)件(jian)架(jia)構(gou)如(ru)圖(tu)1所示。


本係統包括PID控製器，PWM輸出

，AD采樣
，構成單閉環係統。前端三相交流電源輸入到開關電源整流模塊，經整流濾波後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轉換器將後端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變為數字量供給S3C44BO進行數字PlD運算，經過PID控製運算後
，由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構成一個閉環係統
，控製電壓電流穩定輸出，從而實現開關電源控製係統。
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對於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位基於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59MIPS
，完全滿足複雜PID控製器運算的實時性要求；
　　16位的定時器，可實現精度高達0．03μs的PWM脈衝波，並且有防死區(DEADZONE)功能
；
　　外部中斷源多達8個，可以對係統外部故障信息進行實時響應
；
　　內部嵌入了LCD)控製器，並擁有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；
　　內嵌的lIC接口控製器可以將係統信息保存在EEPROM中，為係統操作員提供參考；
　　內部的看門狗功能可使係統在軟件或硬件出錯的情況下自動複位

，保證了係統的安全正常運行；
　　2個異步串行接口(UART)可以方便地實現和上位機的通信；
　　外擴的大容量存儲器為軟件提供j
，充足的空間。
　　
首先係統采用觸摸屏和LCD作為人機接口。S3C44BO內部集成了LCD控製器，可支持高達320×240分辨率
，256色sTN—LCD)，並通過DMA通道與CPU相連，可以快速動態地顯示彩色圖形
，替代了廠家傳統的5l係列單片機與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FLAsHSST39VF160和SDRAMHY641620保證了本數字控製係統有足夠的空間保存和運行程序。由於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，並通過SIO同步端口與CPU連接。AD7705的配置可見參考文獻[7]，這裏不再說明。
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PWM控製原理
　　
采樣控製理論中有一個重要結論：衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在慣性環節上時，其效果基本相同。PWM控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)就(jiu)是(shi)以(yi)該(gai)結(jie)論(lun)為(wei)理(li)論(lun)基(ji)礎(chu)，對(dui)半(ban)導(dao)體(ti)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)，使(shi)輸(shu)出(chu)端(duan)得(de)到(dao)一(yi)係(xi)列(lie)幅(fu)值(zhi)相(xiang)等(deng)而(er)寬(kuan)度(du)不(bu)相(xiang)等(deng)的(de)脈(mai)衝(chong)，用(yong)這(zhe)些(xie)脈(mai)衝(chong)列(lie)來(lai)代(dai)替(ti)正(zheng)弦(xian)波(bo)或(huo)其(qi)他(ta)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)波(bo)形(xing)，並(bing)按(an)照(zhao)一(yi)定(ding)的(de)規(gui)則(ze)對(dui)各(ge)個(ge)脈(mai)衝(chong)的(de)寬(kuan)度(du)進(jin)行(xing)調(tiao)製(zhi)。

在本係統中，PWM波形由中央處理器S3C4480的時鍾TIMER0輸出口T0UTO輸出。由於要求輸出頻率30kHz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，計數比較寄存器TCNTB0設置為1000，這樣，在S3C4480主頻於66MHz時，TOUT0輸出的PWM波頻率為30kHz。當TIMER0開始計時後，每次TCNTB0的值與定時器的向下計數器值相同時，定時器控製PWM波電平改變。使得修改TC-NTB0的值可以控製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
，經過測試

，上升沿與下降沿均在ns級。



PID算法與軟件流程圖
　　
3．1主程序軟件流程
　　
由於采用了嵌入式ARM芯片
，使得在係統軟件實現中主要以C語言進行驅動和應用程序的開發

，僅在CPU初始化階段使用ARM彙編語言。使用ARMS3C44BO芯片外擴了2MFLASH，8MSDRAM大容量存儲器，完全滿足了係統程序運行和數據的存儲，這樣充分發揮了S3C4—480ARM嵌入式係統存儲器容量大
，軟件編程簡單，速度快，精度高的優勢。數字控製係統軟件流程如圖3所示。


在(zai)係(xi)統(tong)開(kai)機(ji)後(hou)
，首(shou)先(xian)要(yao)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)外(wai)圍(wei)設(she)備(bei)的(de)狀(zhuang)態(tai)是(shi)否(fou)正(zheng)常(chang)，以(yi)免(mian)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)。在(zai)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)中(zhong)，為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)軟(ruan)件(jian)跑(pao)飛(fei)，還(hai)需(xu)要(yao)開(kai)啟(qi)看(kan)門(men)狗(gou)功(gong)能(neng)，加(jia)入(ru)喂(wei)狗(gou)程(cheng)序(xu)，這(zhe)樣(yang)軟(ruan)件(jian)上(shang)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)。在(zai)ADC部分對采樣值進行均值濾波，保證采樣值的正確與穩定。
　　
3.2PID控製算法
　　
在自動控製技術中，應用最為廣泛的調節器控製規律為比例(P)、積分(I)
、微分(D)控製，簡稱PID控製，又稱Pm調節。其原理的關鍵是測量、比較和執行。PID控製器將測量受控對象(在本係統中即電壓電流值)與設定值相比較，用這個誤差來調節係統的響應。
　　
在電源數字PIDkongzhixitongzhong，shiyongbilihuanjiekongzhidianyadianliudeshuchuyushuruwuchaxinhaochengbiligaibian，danshishijizhiyugeidingzhitongchanghuicunzaipiancha，zhegepianchachengzuowentaiwucha。yinci，xuyaoyinrujifenhuanjiedexiaochuwentaiwuchagongnengtigaojingdu
，danshikaolvdaodianyuanxitongkaiji、關(guan)機(ji)或(huo)大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)工(gong)作(zuo)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)，產(chan)生(sheng)積(ji)分(fen)積(ji)累(lei)
，就(jiu)會(hui)引(yin)起(qi)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)超(chao)調(tiao)
，甚(shen)至(zhi)在(zai)給(gei)定(ding)值(zhi)上(shang)下(xia)振(zhen)蕩(dang)。所(suo)以(yi)為(wei)減(jian)小(xiao)在(zai)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)積(ji)分(fen)環(huan)節(jie)對(dui)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)，采(cai)用(yong)了(le)積(ji)分(fen)分(fen)離(li)PID控製電壓電流，即當電壓電流與設定工作值的誤差小於一個範圍時
，再采用積分環節去消除係統比例環節產生的穩態誤差。
　　
積分分離PID控製算法需設定積分分離閥ε，當le(k)│>ε時，即偏差值較大時，僅采用PD控製環節
，減少超調量
，使係統有較快響應；當le(k)l≤ε時，即偏差值比較小時，采用PID控製，以保證電壓電流精度和穩定度。在開機後
，按照固定步長打開PWM波寬度，使得電壓升高。在達到設定值一定範圍後
，為防止電壓過衝，需要加入積分分離PID控製算法進行控製，防止電壓超調。在電壓達到千分之一進度範圍後
，需要加入積分環節，完成電源開機時迅速穩定的輸出。PID算法流程如圖3所示。
　　
嵌入式ARM芯片S3C4480在(zai)高(gao)精(jing)度(du)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)，充(chong)分(fen)利(li)用(yong)該(gai)芯(xin)片(pian)上(shang)強(qiang)大(da)的(de)資(zi)源(yuan)，簡(jian)化(hua)了(le)硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)，提(ti)高(gao)了(le)軟(ruan)件(jian)開(kai)發(fa)速(su)度(du)，方(fang)便(bian)了(le)軟(ruan)硬(ying)件(jian)調(tiao)試(shi)，提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。該(gai)係(xi)統(tong)經(jing)現(xian)場(chang)調(tiao)試(shi)證(zheng)明(ming)，設(she)計(ji)合(he)理(li)、運行可靠，為廠家實現了5l係列8位單片機到ARM32位係統的升級，降低了成本並提高了產品的性能。