基于ARM與PID算法的開關(guān)電源控制系統(tǒng)

　　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(lái)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。

　　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(guò)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(guò)專用的定時(shí)器輸出口 TOUTO輸出的PWM波形，波形很好，經(jīng)過(guò)測(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(yǔ)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(yǔ)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(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。

　　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(guò)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(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(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。