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ARM 芯片LPC2210在移相全桥开关电源设计中的应用
chinacir.com.cn   2009-4-9      文字大小:[ ]  收藏本页
    摘要:采用ARM微控制器进行数字控制,为实现智能化数字电源创造了基础。文中介绍了嵌入式ARM处理器LPC2210的系统结构,并将其应用到移相全桥高频开关电源控制系统的软硬件设计中,详细给出了系统的硬件架构和软件主程序流程图,并进行了实验研究。
    引言 
    采用ARM微控制器进行数字控制,较传统的纯模拟控制实时反应速度更快、电源稳压性能更好、外围电路更简单、设计更灵活等,为实现智能化数字电源创造了基础,具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。用数字控制代替模拟控制,可以消除温漂问题,抗干扰能力强,有利于参数整定和调节,通用性强,便于通过程序软件的改变方便地调整方案和实现多种新型控制策略,同时减少元件数目,简化硬件结构,从而提高系统的可靠性【1】。本文设计了以ARM芯片LPC2210为核心的数字化反馈控制系统,通过软件设计实现了PWM移相控制信号的输出。
    1 系统组成及工作原理
    根据要求本文提出如下系统整体框图如图1 所示。系统的工作原理是: 首先将市电220V 交流电通过全桥整流滤波后, 变成直流300V左右。直流300V 通过脉宽调制的移相全桥DC/DC 环节【2】变换得到可调直流电压0—50V 电压。ARM控制器在本样机的应用中主要实现以下功能:
l)A/D转换:把输出采样电压值进行AD转换,以便采用数字PID控制。
    2)数字PID控制:本设计采用增量式数字PID控制算法,对输出采样电压进行PID调节。 
    3)死区时间设置:为了防止同一桥臂两个开关管同时导通,驱动信号之间应该设置一个死区时间。由于主电路开关管为IGBT,考虑到IGBT的电流拖尾将超前、滞后桥臂的死区时间设得较大,取0.25n,这将在程序中设置。 
    4)PWM移相控制信号输出:编写PWM程序,然后在CPU里面进行运算处理,再通过开发板PWM模块的数字滤波电路,最终输出四个能移相带死区时间的PWM信号,用于驱动全桥变换器的四个开关管,达到输出电压稳定。
    2 PWM控制原理
     LPC2210的脉宽调制器模块基于标准的定时器模块具有其所有特性。定时器对外设时钟进行计数,可选择产生中断或者根据7个匹配寄存器在到达指定的定时值时执行其它动作。PWM功能也建立在匹配寄存器事件基础之上。独立控制上升和下降沿位置的能力使PWM可以应用于更多的领域。    
    由于开关频率为100kHz,所以周期为10ns。考虑到需要死区时间,占空比略小于0.5。全桥变换器有四个开关管,所以需要输出四路PWM信号来驱动。LPC2210有6路PWM输出【3】,有单边沿和双边沿两种方式,考虑到都用单边沿的话,一开始都是高电平,这是不允许的,所以得用双边沿来实现。但是6个PWM寄存器只能输出3路互不干扰的双边沿,因此还有一个得用单边沿。根据LPC2210的PWM输出功能描述,在此,选择了PWM2、PWM4、PWM5为双边沿输出,PWM6为单边沿输出。这样,PWM4和PWM5就得共用一个寄存器PWMMR4,无法得到死区时间,所以还需要一个延迟电路来延迟0.25ns,以得到死区时间。根据采用的移相控制方案,把超前桥臂设为定桥臂,滞后桥臂设为可变桥臂。基于以上对PWM通道选取的分析,为了方便设计,在此选PWM6和PWM2通道的输出来控制定桥臂,PWM5和PWM4通道的输出来控制可变桥臂。
   3 数字PID控制
   在数字控制系统中,PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。进入计算机的连续时间信号,必须经过采样和量化后,变成数字量,方能进入计算机的存贮器和寄存器。在数字计算机中的计算和处理,不论是积分还是微分,只能用数值计算去逼近。用求和代替积分,用差商代替微商,使PID算法离散化将描述连续一时间PID算法的微分方程,变为描述离散一时间算法的差分方程。当执行机构需要的不是控制量的绝对值,而是控制量的增量时,需要用PID的“增量算法”。