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PWMqudongboxingtiaojieshuchudianya。shuchudianyatongguoduidarongliangtandianrongchongfangdian，geifuzaitigongwendingdegaodianyadadianliushuchu，gonggongchangjinxingdiandushiyong。dianyuandekongzhixitongyingjianjiagourutu1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。PWMkongzhijishujiushiyigaijielunweililunjichu，duibandaotikaiguanqijiandedaotongheguanduanjinxingkongzhi，shishuchuduandedaoyixiliefuzhixiangdengerkuandubuxiangdengdemaichong，yongzhexiemaichonglielaidaitizhengxianbohuoqitasuoxuyaodeboxing，binganzhaoyidingdeguizeduigegemaichongdekuandujinxingtiaozhi。

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zaiADC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PID控kong製zhi係xi統tong中zhong，使shi用yong比bi例li環huan節jie控kong製zhi電dian壓ya電dian流liu的de輸shu出chu與yu輸shu入ru誤wu差cha信xin號hao成cheng比bi例li改gai變bian，但dan是shi實shi際ji值zhi與yu給gei定ding值zhi通tong常chang會hui存cun在zai偏pian差cha，這zhe個ge偏pian差cha稱cheng作zuo穩wen態tai誤wu差cha。因yin此ci，需xu要yao引yin入ru積ji分fen環huan節jie的de消xiao除chu穩wen態tai誤wu差cha功gong能neng提ti高gao精jing度du，但dan是shi考kao慮lv到dao電dian源yuan係xi統tong開kai機ji
、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。