基于ARM與PID算法的開關(guān)電源控制系統(tǒng) - 全文

近年來，嵌入式技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了以單片機(jī)、專用嵌入式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)也開始采用內(nèi)部集成資源豐富的嵌入式控制器來構(gòu)成大型開關(guān)電源的控制系統(tǒng)。將SAMSUNC公司的嵌入式ARM處理器S3C44BOX芯片，應(yīng)用到開關(guān)電源的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用C語言和少量匯編語言，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關(guān)電源控制系統(tǒng)。

　　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)用中所占比例越來越大，同時(shí)顯現(xiàn)出越來越多的優(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。

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　　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)59MIPS，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)0.03μs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)過流，過壓，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，通過外擴(kuò)FLAsHSST39VF160和SDRAMHY641620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SIO同步端口與CPU連接。 AD7705的配置可見參考文獻(xiàn)[7]，這里不再說明。

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　　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。

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　　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30kHz的PWM波，且精度在千分之一，所以通過設(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30kHz。當(dāng)TIMER0 開始計(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，通過專用的定時(shí)器輸出口 TOUTO輸出的PWM波形，波形很好，經(jīng)過測(cè)試，上升沿與下降沿均在ns級(jí)。PID算法與軟件流程

　　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語言進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的開發(fā)，僅在CPU初始化階段使用ARM匯編語言。使用ARMS3C44BO芯片外擴(kuò)了 2MFLASH，8MSDRAM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—480ARM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3所示。在系統(tǒng)開機(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(duì)采樣值進(jìn)行均值濾波，保證采樣值的正確與穩(wěn)定。

　　3.2PID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PID控制，又稱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)誤差來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。

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　　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(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)le(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)le(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。在開機(jī)后，按照固定步長(zhǎng)打開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)，完成電源開機(jī)時(shí)迅速穩(wěn)定的輸出。PID算法流程如圖3所示。

??????? 結(jié)論

　　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ARM32位系統(tǒng)的升級(jí)，降低了成本并提高了產(chǎn)品的性能。