系統硬件架構
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：便于計算機處理控制、減小信號的干擾、提高抗干擾能力、便于調試，也便于自診斷、容錯等技術的植入。隨著嵌入式處理器主頻的提升，片內控制功能的增強，PWM波形頻率與精度的進一步提高，使得電源控制系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控制，最后輸出PWM驅動波形調節輸出電壓。輸出電壓通過對大容量鉭電容充放電，給負載提供穩定的高電壓大電流輸出，供工廠進行電鍍使用。電源的控制系統硬件架構如圖1所示。
本系統包括PID控制器，PWM輸出，AD采樣，構成單閉環系統。前端三相交流電源輸入到開關電源整流模塊，經整流濾波后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轉換器將后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控制運算后，由S3C4480輸出PWM至IGBT從而構成一個閉環系統，控制電壓電流穩定輸出，從而實現開關電源控制系統。
對于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位基于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，完全滿足復雜PID控制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脈沖波，并且有防死區(DEADZONE)功能;
外部中斷源多達8個，可以對系統外部故障信息進行實時響應;
內部嵌入了LCD)控制器，并擁有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接口控制器可以將系統信息保存在EEPROM中，為系統操作員提供參考;
內部的看門狗功能可使系統在軟件或硬件出錯的情況下自動復位，保證了系統的安全正常運行;
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。
首先系統采用觸摸屏和LCD作為人機接口。S3C44BO內部集成了LCD控制器，可支持高達320×240分辨率，256色sTN—LCD)，并通過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系列單片機與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保證了本數字控制系統有足夠的空間保存和運行程序。由于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，并通過SIO同步端口與CPU連接。 AD7705的配置可見參考文獻[7]，這里不再說明。
PWM控制原理
采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環節上時，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，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，并按照一定的規則對各個脈沖的寬度進行調制。
在本系統中，PWM波形由中央處理器S3C4480的時鐘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主頻于66MHz時，TOUT0輸出的PWM波頻率為30kHz。當TIMER0 開始計時后，每次TCNTB0的值與定時器的向下計數器值相同時，定時器控制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
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匯編語言。使用ARMS3C44BO芯片外擴了 2MFLASH，8MSDRAM大容量存儲器，完全滿足了系統程序運行和數據的存儲，這樣充分發揮了S3C4—480ARM嵌入式系統存儲器容量大，軟件編程簡單，速度快，精度高的優勢。數字控制系統軟件流程如圖3所示。在系統開機后，首先要檢測系統外圍設備的狀態是否正常，以免出現故障。在系統運行中，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的可靠性和穩定性。在ADC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控制算法
在自動控制技術中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡稱PID控制，又稱Pm調節。其原理的關鍵是測量、比較和執行。PID控制器將測量受控對象(在本系統中即電壓電流值)與設定值相比較，用這個誤差來調節系統的響應。
在電源數字PID控制系統中，使用比例環節控制電壓電流的輸出與輸入誤差信號成比例改變，但是實際值與給定值通常會存在偏差，這個偏差稱作穩態誤差。因此，需要引入積分環節的消除穩態誤差功能提高精度，但是考慮到電源系統開機、關機或大幅增加電壓電流工作設定值時，產生積分積累，就會引起電壓電流超調，甚至在給定值上下振蕩。所以為減小在運行過程中積分環節對電壓電流動態性能的影響，采用了積分分離PID控制電壓電流，即當電壓電流與設定工作值的誤差小于一個范圍時，再采用積分環節去消除系統比例環節產生的穩態誤差。
積分分離PID控制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控制環節，減少超調量，使系統有較快響應;當le(k)l≤ε時，即偏差值比較小時，采用PID 控制，以保證電壓電流精度和穩定度。在開機后，按照固定步長打開PWM波寬度，使得電壓升高。在達到設定值一定范圍后，為防止電壓過沖，需要加入積分分離 PID控制算法進行控制，防止電壓超調。在電壓達到千分之一進度范圍后，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。
結論
該系統經現場調試證明，設計合理、運行可靠，為廠家實現了5l系列8位單片機到ARM32位系統的升級，降低了成本并提高了產品的性能。