MC9S08SH4 のギャング出力でバックコンバータ (4)：新適当マイコン電子工作研究所：So-netブログ

	ブログをはじめるログイン

とある回路図を描いた｜MC9S08SH4 のギャング出力でバッ.. ブログトップ

MC9S08SH4 のギャング出力でバックコンバータ (4)　[HCS08] [編集]

定電流制御の前に定電圧制御プログラムを作成します。最初は、P制御からです。

各部分でのゲイン

PWM出力部分では、無次元の変数"duty"を入力として電圧の出力を出しています。 "duty"が1カウント増えるごとに電圧は、VDD/256[V] 増加しています。そのため、PWMのゲインは VDD/256[V/count]と計算されます。

LCフィルタとアンチエリアス・フィルタでのゲインは、DCの時に 0dB になっており、さらにほぼ既知の周波数特性を持っています。

A/Dコンバータでは、電圧を入力として無次元の変換値を出力しています。ここでは、処理速度を優先するため、8-bitの変換値を受け取ることにします。 A/Dコンバータの基準電圧は、VDDとVSSになっていますので、 A/Dコンバータのゲインは、 256/VDD[count/V] と計算されます。

エラーアンプとコントローラ以外の部分でのゲインは、DCの時にちょうど "1" になります。

P制御器

以上の計算から、ソフトウェアからみた時のPWMからA/Dコンバータまでのループゲインが "1" になることがわかりました。この構成で「P制御器」を作るときには、A/Dコンバータから得た値 "vadc" から目標値 "target" を引いて得られるエラーアンプの出力 "err" を定数倍した値を変数 "duty" に設定すればおしまいということになります。何だ、簡単だね。目標値は、とりあえず1.5Vとします。

ところで、エラーアンプの計算結果が "0" になった時には、 "duty" の値はいくつにしたら良いのでしょうか？ "0" の時には理論的に目標の電圧出力になる "duty" 値を設定することにします。無負荷の状態の時に5.0V電源から1.5V出力を得るためには、デューティー比は30%になります。このときの "duty" の値84を中心にしてみます。

err = vdac - target
duty = 84 + err * kp

ゲイン "kp" は、大きくすればするほど、出力の誤差が小さくなりますが、大きくしすぎると発振をおこします。「P制御器」のゲインと発振の関係については、scilabで遊ぼう (10)で調べました。

処理のタイミング

今回、ただのCISCマイコンでソフトウェアPWMまでやらせようとしているので、CPUの処理能力の限界まで引き出さなくはなりません。そこで、割り込みサービスルーチンの時間配分を考えました。

デューティーの更新は、PWM波形と非同期に行おうとしていたのですが、A/D変換時にGND電位が浮くかも知れないという心配が出てきたので、PWMの動作と同期させることにしました。具体的には、PWM出力がLOWになって、主にショットキーダイオードが電流を流す期間にA/D変換を行います。

この時、問題になるのが、A/D変換に要する時間です。データシートによると、A/D変換に要する時間は、最短で"20 ADCK + 5 BUSCLK"となっています。 ADCKの周波数は、8MHzが上限です。 20MHzのBUSCLKを4分周した5MHzをADCKに使おうとすると、最短A/D変換時間は"85 BUSCLK"つまり4.25µ秒と計算できます。少なくともこの期間だけはPWM出力をLOWにしなくてはなりません。つまり、デューティー比の上限が決まってしまうということになります。

実際の設計では、A/D変換時のサンプリング時間を長めにして変換時間を8.25µ秒とし、PWMデューティー比の上限を50%としてあります。

また、A/D変換時には、PWMの二波形分を使用し、変換開始と変換結果の受け取りを分けて、PWM波形8周期でデューティー比の更新を行うものとしてあります。このため、サンプリング周波数は、1 / (25.6µsec × 8) = 4880Hz と当初の予定よりも低くなりました。

PHASE	お仕事
0	AD27（内蔵バンドギャップ）のA/D変換開始
1	AD27のA/D変換結果受け取り
2	AD2（PTA2）のA/D変換開始
3	AD2のA/D変換結果受け取り
4	AD3（PTA3）のA/D変換開始
5	AD3のA/D変換結果受け取り
6	-
7	変換結果の転送とフレーム終了の通知

PHASE#7では、一次バッファに貯めた三つのA/D変換結果をまとめて最終バッファに転送します。そして、メインループにフレームが終了した、つまりA/D変換結果が出揃ったことを通知します。メインループでは、この通知に同期してデューティー比の計算を開始します。

いや、とにかく、ギリギリいっぱいです。

火入れ式

プログラムができたので、実行させてみます。使用したコイルは、MC9S08SH4 のギャング出力でバックコンバータ (2)で作成した"35T0870-00H SINGLE"です。

最初のプログラムでは、P制御のゲインはハードコーディングしてあります。また、変数"duty"の下限と上限をそれぞれ[20,132]としました。まずは、VDDの0.3倍(77÷256)の値をターゲットにして出力電圧をハンディテスタで測定しました。 VDDは、5.05Vなので、理論的には1.519Vになるはずです。