基于ARM与PID算法的开关电源控制系统

　　首先系统采用触摸屏和LCD作为人机接口。S3C4480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

　　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 ARMS3C4480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S3C4480 ARM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。

　　结论

　　该系统经现场调试证明，设计合理、运行可靠，为厂家实现了51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。