Организация устройства управления импульсным стабилизатором напряжения на базе микроконтроллера

Цель исследования. Оценка применимости микроконтроллеров в управлении импульсным стабилизатором напряжения.

Задача исследования . Определение возможных скоростных характеристик импульсного стабилизатора напряжения с микроконтроллерным управлением.

Методы исследования. Экспериментальное исследование макетного образца.

Как было показано в [4], устройство управления (УУ) ИСН на уровне «черного ящика» имеет три входа и один выход (рис. 1).

Пинт -...._	Устройство управления
I ТтпгЬ        м	импульсным стабилизатором	. Управление
Upac	напряжения	КЛЮЧОМ

Рис 1. УУ ИСН:

Uинт – напряжение с выхода интегратора, изменяющееся в диапазоне 0÷3 В; Uдиф – переменная (дифференциальная) составляющая выходного напряжения, изменяющегося для статического режима работы (при неизменном сопротивлении нагрузки) в диапазоне ±20 мВ; Uрас – напряжение рассогласования каналов (для многоканального варианта стабилизатора), изменяющееся в диапазоне 0÷3 В

Задачей УУ является формирование выходного импульса управления ключом стабилизатора, длительность которого является функцией от входных напряжений

Тимп = F(Uинт, Uдиф, Uрас).

В результате моделирования работы стабилизатора было выявлено, что для инвертирующего интегратора наилучшие результаты получаются при использовании следующей функции [5, 6]: Тимп i = Тп ∙ (Uинт i – (5 ∙ Uдиф i – 1.5 ∙ Uдиф i-1 ) / n – Uрас i ) / Umax, где i – номер такта работы стабилизатора;

Тп – длительность такта (период) работы стабилизатора;

n – количество каналов в стабилизаторе;

Umax – условное максимальное напряжение (напряжение, при котором длительность выходного импульса совпадает с периодом).

В [4] показано, что использование встроенного в микроконтроллер ATxmega128A1 [7, 8] аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приводит к недостаточно хорошим показателям работы ИСН вследствие большого времени и невысокой точности преобразования.

Для устранения указанных недостатков встроенный АЦП микроконтроллера заменен на внешний АЦП, в качестве которого был выбран 8-канальный 12-разрядный АЦП MAX1308 [9], имеющий при использовании внутреннего 15 МГц тактового генератора время преобразования 800 нс (время от момента запуска до появления результата преобразования первого канала), погрешность ±1 квант и шкалу ±5 В.

Как было показано в [4], приемлемые параметры работы стабилизатора получаются только при усилении Uдиф, поэтому в состав устройства управления, помимо АЦП, был введен предварительный усилитель с коэффициентом усиления 16, что объясняется соотношением диапазона изменения Uдиф и шкалы MAX1308.

Схема функционирования получившегося устройства управления представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема УУ ИСН

Диапазон изменения Uинт также приведен к шкале ±5 В.

С учетом погрешности аналого-цифрового преобразования, оцененной по методике [4], длительность выходного импульса вычисляется по формуле

Тимп i = Тп ∙ {[Uинт i – (5 ∙ Uдиф i – 1.5 ∙ Uдиф i-1 ) /16 – Uрас i ] +

+ 2,4065 ∙ Δ} / Umax, и поскольку для указанного АЦП оценка погрешности выглядит следующим образом: Δ = ±1 ∙ (5-(-5))/212 ≈ ±2,4 (мВ), оценка погрешности вычисления выражения в квадратных скобках составляет

S = 2,4065 ∙ Δ ≈ ±5,8 (мВ).

Из сопоставления S c диапазонами изменения входных напряжений видно, что для Uинт и Uрас погрешность S составляет не более 0,12 и 0,19 % соответственно и не окажет существенного влияния на формирование Тимп этими напряжениями. Для Uдиф усиление в 16 раз увеличивает диапазон до ±320 мВ. Сопоставив диапазон изменения Uдиф, увеличенный в 5 раз с S, получаем погрешность на уровне 1,8 %.

Реализация устройства управления стабилизатором заключается в соединении операционного усилителя, АЦП и микроконтроллера, при этом порт С микроконтроллера использован для передачи управляющих сигналов, порты D и E – для передачи данных между АЦП и микроконтроллером. Для исключения необходимости расширять знак кода, полученного с АЦП, его старший (знаковый) разряд подключен к пяти старшим разрядам порта E.

Подключение дифференциальных сигналов к АЦП MAX1308 не предусмотрено, поэтому положительные сигналы Uинт и Uрас соединены с информационными входами АЦП, а отрицательные – непосредственно с контактом MSV (Midscale voltage), относительно которого фактически производятся измерения. Сигнал Uдиф в дифференциальном виде подключен к входам операционного усилителя, расположенного в непосредственной близости к АЦП, с выхода которого поступает на информационный вход АЦП.

Оцифрованные данные с АЦП считывались после окончания всех преобразований, так как результаты преобразований с отдельных каналов появляются через 200 нс, в то время как минимальная длительность обработки прерывания (только вход и выход) составляет 13 тактов процессора (приблизительно 400 нс).

Схема подключения такого устройства управления приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема включения микроконтроллера и АЦП

Требуемая организация функционирования микроконтроллера реализуется с помощью программы, в которой используется следующая схема функционирования микроконтроллерного устройства управления стабилизатором напряжения (рис.4).

Рис. 4. Программно-аппаратная организация УУ ИСН

Все управление стабилизатором напряжения производится двумя основными обработчиками прерываний:

∼ обработчиком прерываний от канала CCA таймера-счетчика (ТС) TCD1;

∼ обработчиком прерываний от входа С5 микроконтроллера.

Импульс запуска с контакта C7 через канал событий EvSys0 своим передним фронтом перезапускает ТС TCD1, работающий в режиме захвата частоты (frequency capture). Одновременно канал CCA счетчика фиксирует время, прошедшее с момента предыдущего запуска, т.е. длительность периода запуска Тп, и вызывает прерывание, обработчик которого помещает зафиксированную длительность периода в регистры R30, R31 процессора.

Тот же фронт импульса запуска через канал событий EvSys1 перезапускает ТС TCC0, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (single slope pulse width modulation). Для запуска аналого-цифрового преобразователя используется канал CCB счетчика, что позволяет задержать момент запуска АЦП по отношению к моменту коммутации ключа силовой части стабилизатора, сопровождающемуся значительными импульсными помехами.

Сигнал с выхода CCB через контакт С1 поступает на вход CONVST (Conversion Start) и запускает АЦП. Поскольку запуск происходит по нарастающему фронту, выходной импульс канала CCB подается на вход CONVST в инверсном виде за счет перевода контакта С1 в инверсный режим работы.

После завершения преобразования данных всех каналов АЦП вырабатывает сигнал EOLC (End Of Last Conversion), поступающий на вход С5 микроконтроллера, который в свою очередь по падающему фронту вызывает прерывание. Обработчик прерывания, подавая на АЦП через вывод С2 сигналы чтения (RD), через порты D и E считывает двухбайтовые коды входных напряжений Uинт, Uдиф, Uрас. Далее в обработчике выполняется расчет Тимп на основании полученных значений Тп, Uинт, Uдиф, Uрас. Поскольку используется 12-разрядный АЦП, Umax принято равным 2047. В этом же обработчике вычисляется и помещается в регистры процессора R28, R29 1,5 ∙ Uдиф (Uпред), которое будет использоваться в расчетах следующего периода запуска.

В рассматриваемом варианте стабилизатора используется модуляция переднего фронта импульса управления ключом, поэтому выход СО переведен в инверсный режим работы, и в канал CCA счетчика TCCО в качестве длительности импульса помещается разность Тп – Тимп.

В программе имеется два дополнительных обработчика прерываний от каналов CCA и CCB ТС TCCО, не показанные на рисунке 4, использующиеся в отладочных целях для контроля моментов времени появления характерных событий.

Вышеописанная реализация устройства управления стабилизатором позволила получить приемлемые результаты на частоте работы 40 КГц (Тп=25 мкс), так как оцифровка входных напряжений и расчет занимают приблизительно 7,6 мкс. Контрольные моменты времени показаны на осциллограммах на рисунке 5 короткими импульсами отрицательной полярности.

а

б

Рис. 5. Осциллограммы работы УУ ИСН

На рисунке 5,а показан один период работы стабилизатора, на рисунке 5,б – в более крупном масштабе время аналого-цифрового преобразования и расчетов.

На приведенных осциллограммах в нижней части изображены импульсы запуска стабилизатора, в верхней – четыре импульса, отмечающих следующие моменты времени (слева направо):

∼

∼

∼

∼

вход в обработчик прерывания от канала CCA ТС TCD1;

запуск АЦП (прерывание от канала CCB ТС TCC0);

окончание оцифровки входных напряжений (прерывание от входа C5);

окончание расчетов (выход из обработчика прерывания от входа C5) и возможное начало выходного импульса открывания силового ключа стабилизатора (в случае его максимальной длительности).

Из них видно, что на частоте 40 КГц максимальная длительность выходного импульса не

превышает 70 % от периода, и с увеличением частоты работы стабилизатора будет уменьшаться, что в свою очередь уменьшает диапазон изменения выходного тока, при котором наблюдается неизменное выходное напряжение.

Выводы. Проведенное исследование показало, что применение внешнего быстродействующего высокоточного АЦП в сочетании с микроконтроллером позволяет достичь частоты работы ИСН порядка 40 КГц, которая ограничивается производительностью процессора, а также повысить качество стабилизации выходного напряжения.