Применение микроконтроллера ATxmega в устройстве управления импульсным стабилизатором напряжения

Пинт

Идиф

Up а с

Устройство управления

импульсным стабилизатором

Управление ключом

напряжения

Рис. 1. Устройство управления ИСН

УУ ИСН на уровне «черного ящика» имеет три входа и один выход (рис. 1), где Uинт – напряжение с выхода интегратора, изменяющееся в диапазоне 0÷3 В;

Uдиф – переменная (дифференциальная) составляющая выходного напряжения, изменяющаяся 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 [1, 2]:

Тимпi = Тп ∙ (Uинтi – (5 ∙ Uдифi – 1.5 ∙ Uдифi-1) / n – Uрасi) / 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).

При построении цифрового УУ аналоговые величины Uинт, Uдиф, Uрас вначале необходимо преобразовать в цифровой вид (выполнить аналого-цифровое преобразование), после чего рассчитать длительность выходного импульса и сформировать его.

Вышеизложенные соображения приводят к следующей обобщенной функциональной схеме УУ (рис. 2):

Рис. 2. Функциональная схема УУ ИСН

Для макетной реализации УУ был выбран микроконтроллер ATxmega128A1, так как он имеет в своем составе все необходимое оборудование [3, 4].

Поскольку аналоговые величины подвергаются аналого-цифровому преобразованию, в их числовом представлении имеется погрешность, связанная с квантованием (приведением значений к одному из фиксированных уровней). Эта погрешность участвует в вычислении Тимп и приводит к отклонениям от истинного значения. Фактически вычисления производятся по закону

Тимпi = Тп ∙ ((Uинтi +Δинт) – (5 (Uдифi +Δдиф) – – 1,5 ∙ (Uдифi-1+Δдиф)) / n – (Uрасi+Δрас)) / Umax, где Δинт, Δдиф, Δрас – погрешности представления Uинт, Uдиф, Uрас соответственно.

Поскольку все измерения производятся с помощью одного и того же АЦП, можно утверждать, что

Δинт = Δдиф = Δрас = Δ, где Δ – погрешность АЦП, и при n = 1 (использовании одного канала)

Тимп i = Тп ∙ {[Uинт i – (5 Uдиф i – 1,5 ∙ Uдиф i-1 ) – Uрас i ] + 8,5 ∙ Δ} / Umax.

В приведенном выражении 8,5 ∙ Δ = S – оценка погрешности, накопленной в процессе вычисления значения выражения в квадратных скобках.

Типовым значением погрешности АЦП для ATxmega является ±4 кванта, ширина которого зависит от шкалы (диапазона измеряемого напряжения) и разрядности d = ΔU/2r, где d – ширина кванта АЦП;

ΔU – ширина шкалы АЦП (разность между максимальным и минимальным значениями);

r – разрядность АЦП.

И при использовании максимальной шкалы ±3 В

Δ = ±4 ∙ (3-(-3))/212 ≈ ±5,9 (мВ).

Тогда

S = 8,5 ∙ Δ ≈ ±50 (мВ).

Из сопоставления S c диапазонами изменения входных напряжений видно, что для Uинт и Uрас погрешность S составляет не более 1,7 % и не окажет существенного влияния на формирование Тимп этими напряжениями. Для Uдиф даже с учетом увеличения в 5 раз S составит около 50 %, что не обеспечвает требуемых параметров работы стабилизатора. Данное утверждение получило экспериментальное подтверждение в ходе исследований.

Для уменьшения погрешности вычислений в схему УУ были внесены изменения: перед аналого-цифровым преобразованием с помощью встроенного усилителя АЦП Uдиф было увеличено в 8 раз, а при вычислении Тимп это усиление было скомпенсировано (рис. 3).

Рис. 3. Измененная схема устройства управления

Такое изменение фактически увеличивает диапазон Uдиф до ±160 мВ и приводит к вычислению длительности выходного импульса по закону

Тимп i = Тп ∙ {[Uинт i – (5 ∙ Uдиф i – 1,5 ∙ Uдиф i-1 ) /8 – Uрас i ] +

+ 2,8125 ∙ Δ} / Umax, и выражение для S примет вид

S = 2,8125 ∙ Δ ≈ ±16,5 (мВ).

Сопоставив диапазон изменения Uдиф, увеличенный в 5 раз с S, получаем погрешность на уровне 2 %, что, как показали экспериментальные исследования, является приемлемым результатом.

Собственно реализация одноканального ИСН с цифровым УУ заключается в подключении сигнала управления ключом, а также Uинт, Uдиф к соответствующим контактам микроконтроллера и организации его функционирования в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3.

Для ослабления помех от силовых цепей сигналы Uинт, Uдиф передаются в дифференциальном виде по витой паре.

Поскольку макетный вариант стабилизатора предусматривает экспериментальную оценку максимальной частоты работы стабилизатора, был использован внешний генератор импульсов запуска (тактовых импульсов) с изменяемой частотой.

Для уменьшения влияния цифровых (импульсных) сигналов на аналоговые Uинт, Uдиф использованы контакты разных портов ввода/вывода микроконтроллера: аналоговые сигналы подключены к порту А, цифровые – к порту С (рис. 4).

+иинт —»		PORTA А2 АЗ	ATxmegal28Al	PORTC СО	-► Управление ключом
+идиф
-Uhht -идиф		А4 А5		С7	«— Импульсы запуска

Рис. 4. Схема включения микроконтроллера

Требуемая организация функционирования микроконтроллера реализуется с помощью программы, использующей следующую схему функционирования микроконтроллерного УУ ИСН (рис. 5).

Рис. 5. Программно-аппаратная организация УУ ИСН

Все управление ИСН производится тремя основными обработчиками прерываний:

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

• -    обработчиком прерываний от канала Ch0 АЦП ADCA;

• -    обработчиком прерываний от канала Ch1 АЦП ADCA.

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 ADCA 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 канал событий EvSys7 запускает АЦП, работающий в двухканальном режиме с одновременной фиксацией данных по всем каналам (synchronous sweep). По окончании преобразования данных канала Ch0 вызывается прерывание, обработчик которого помещает оцифрованное значение Uинт в регистры процессора R26, R27. После завершения преобразования данных канала Ch1 вызывается обработчик прерывания, в котором выполняется расчет Тимп на основании полученных значений Тп, Uинт, Uдиф. Поскольку используется 12-разрядный

АЦП, Umax принято равным 2047. В этом же обработчике вычисляется и помещается в 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 С0 переведен в инверсный режим работы, и в канал CCA счетчика TCC0 в качестве длительности импульса помещается разность Тп – Тимп.

В программе имеются два дополнительных обработчика прерываний от каналов CCA и CCB ТС TCC0, не показанные на рис. 5, использующиеся в отладочных целях для контроля моментов времени появления характерных событий.

Вышеописанная реализация устройства управления стабилизатором позволила получить приемлемые результаты на частоте работы 20 КГц (Тп=50 мкс), так как оцифровка входных напряжений и расчет потребовали довольно большого времени (приблизительно 15,7 мкс). Контрольные моменты времени показаны на осциллограммах на рис. 6 короткими импульсами отрицательной полярности.

а)

б)

Рис. 6. Осциллограммы работы УУ ИСН

На рис. 6, а показан один период работы стабилизатора, на рис. 6, б – в более крупном масштабе время аналого-цифрового преобразования и расчетов.

На приведенных осциллограммах в нижней части (желтым цветом) изображены импульсы запуска стабилизатора, в верхней (зеленый луч) – пять импульсов, 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 Uинт (прерывание от канала Ch0 ADCA);

• -    окончание оцифровки Uдиф (прерывание от канала Ch1 ADCA).

• -    окончание расчетов (выход из обработчика прерывания от канала Ch1 ADCA) и возможное начало выходного импульса открывания силового ключа стабилизатора (в случае его максимальной длительности).

Из них видно, что на частоте 20 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. В выходном напряжении, формируемом таким ИСН, имеется небольшая случайная составляющая, что также является нежелательным явлением.

Заключение . Проведенное исследование показало применимость микроконтроллерного устройства управления импульсного стабилизатора напряжения в аппаратуре широкого применения с ограничением на максимальную частоту работы стабилизатора порядка 20 КГц вследствие невысокой производительности процессора, большого времени и низкого качества аналогоцифрового преобразования.