PWM控制原理 - 基于S3C44B0的高精度直流开关电源设计

2 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30 kHz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30 kHz。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。

 

3 PID算法与软件流程图

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ARM S3C44BO芯片外扩了2M FLASH，8M SDRAM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S3C4—480 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2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。

3.2 PID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l e(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l e(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。

 

 

4 结语

　　嵌入式ARM芯片S3C4480在高精度开关电源数字控制系统设计中的应用，充分利用该芯片上强大的资源，简化了硬件电路，提高了软件开发速度，方便了软硬件调试，提高了系统的可靠性。该系统经现场调试证明，设计合理、运行可靠，为厂家实现了5l系列8位单片机到ARM 32位系统的升级，降低了成本并提高了产品的性能。