一種基于PID控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

李珍珍

【摘 要】本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制方式，以Buck電路為對(duì)象，采用PID控制策略，研制了一個(gè)有電壓顯示的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。論文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、各部分的組成及其工作原理；在軟件方面設(shè)計(jì)了系統(tǒng)流程圖，編寫(xiě)了程序代碼，并在實(shí)物電路上調(diào)試成功，實(shí)際結(jié)果表明輸出電壓可調(diào)范圍為0V—24V，最大電流為10A，效率90%以上，并可由數(shù)碼管顯示當(dāng)前輸出電壓值。系統(tǒng)具有輸出內(nèi)阻低、功耗低、通用性好、可靠性高、線(xiàn)路簡(jiǎn)單、成本低廉、使用直觀(guān)方便的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】Buck；單片機(jī)；PID；數(shù)控電源

中圖分類(lèi)號(hào)： TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）13-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.058

0 引言

電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)，電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。

單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類(lèi)型專(zhuān)用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05V的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50W的數(shù)控電源。本文提出了一種數(shù)字化智能電源模塊設(shè)計(jì)方案，針對(duì)傳統(tǒng)智能電源模塊的不足，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。

1 提出方案設(shè)計(jì)工作原理

1.1 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用如上圖1所示的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、實(shí)現(xiàn)一些控制算法的微控制器以及一個(gè)數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器（DPWM），該DPWM控制器輸出并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(hào)。

對(duì)于本設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)和濾波器部分共同構(gòu)成Buck電路的基本結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換。采樣模塊負(fù)責(zé)收集直流輸出信號(hào)并傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，作為控制處理器的輸入信號(hào)?？刂铺幚砥靼鶞?zhǔn)電壓進(jìn)行比較的比較器、數(shù)字PID調(diào)節(jié)的計(jì)算單元、自動(dòng)檢測(cè)單元等?？刂铺幚砥髫?fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的直流輸出采樣信號(hào)同基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)PID調(diào)節(jié)快速準(zhǔn)確地向DPWM模塊發(fā)出控制信號(hào)，進(jìn)而穩(wěn)定電壓。DPWM模塊，即數(shù)字脈沖寬度調(diào)制模塊是數(shù)字化的PWM模塊，根據(jù)控制處理器提供的控制信號(hào)，通過(guò)改變輸出方波的占空比調(diào)劑電源開(kāi)關(guān)部分，實(shí)現(xiàn)DC/DC變壓。

1.2 Buck電路基本原理

Buck基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)控制SW開(kāi)關(guān)給電容和電感充電儲(chǔ)能，以達(dá)到高效率的能量轉(zhuǎn)換。電感L和電容C為輸出端濾波電路，將脈沖波變成紋波較小的直流波；D為續(xù)流二極管。

開(kāi)關(guān)接通時(shí)，其參數(shù)輸入電壓Ud，輸出電壓Uo，電感L，電容C，其四者在t時(shí)刻的關(guān)系為開(kāi)關(guān)接通時(shí)，其參數(shù)輸入電壓Ud，輸出電壓Uo，電感L，電容C，其四者在t時(shí)刻的關(guān)系為：

開(kāi)關(guān)管接通時(shí)輸入的能量通過(guò)電感L對(duì)電容C充電，電感中電流線(xiàn)性增加，并在電感L中儲(chǔ)存能量，而電容兩端的電壓基本不變，此時(shí)開(kāi)關(guān)管兩端的壓降比較低。

開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，其參數(shù)電感L的兩端產(chǎn)生右正左負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使二極管D承受正向電壓導(dǎo)通，電感中的能量通過(guò)二極管和電容形成新的一個(gè)回路，此時(shí)電感中的電流線(xiàn)性下降，從而把電感中貯存的能量放給電容充電中。電流、電壓關(guān)系如式（3）和式（4）所示

綜合開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和截止的兩種情況，Buck電路總體電流和輸出電壓情況如圖3和圖4所示。

3 具體硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

按鍵中輸入想要的電壓0V-24V，此時(shí)輸入的電壓就可以通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法采用PID來(lái)控制它的脈寬輸出即控制PWM電路，反饋電壓就是當(dāng)前所測(cè)電壓，這時(shí)單片機(jī)再對(duì)所設(shè)定輸入的電壓值進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算后對(duì)PWM電路進(jìn)行控制，最后由數(shù)碼管顯示當(dāng)前電壓。單片機(jī)一直處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前電壓。

3.2 系統(tǒng)電路原理圖

該原理圖是在Protel軟件上完成的，圖6中共有3個(gè)模塊。左上角模塊為整流模塊，是將變壓器降壓后的36V交流電整流為36V直流電，再通過(guò)LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器得到5V直流電源；右上角模塊為單片機(jī)控制電路和單片機(jī)（JP2）程序下載串口；左下角模塊為Buck電路。

3.3 Buck電路設(shè)計(jì)

如圖7所示，開(kāi)關(guān)管IRF9540電流達(dá)到10A，所以利用3個(gè)4A的電感并聯(lián)，但電感并聯(lián)后引發(fā)感抗降低，所以后面要串聯(lián)上兩級(jí)的3個(gè)電感并聯(lián)，以達(dá)到在不改變電感感抗的情況下加大電流。電路中所用的電容是利用5個(gè)電容并聯(lián)，目的是加大電容容量減少紋波，同時(shí)也利用三個(gè)達(dá)林頓二極管并聯(lián)加大回流電流。

開(kāi)關(guān)管參數(shù)選擇為：頻率100K，最大電流10A，輸出電壓范圍0到24V，輸入電壓為36V，紋波小于1mV。

3.4 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用四位數(shù)碼管顯示。實(shí)際調(diào)試結(jié)果表明電路誤差不超過(guò)。造成誤差的主要原因是溫度系數(shù)變化（電路中的元器件發(fā)熱——反饋電阻發(fā)熱），電壓越大反饋電阻溫度越高，造成輸出誤差越大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于PID控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)控制方式，利用PID計(jì)算，研制有電壓顯示的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。

該系統(tǒng)具有輸出內(nèi)阻低、功耗低、通用性好、可靠性高、線(xiàn)路簡(jiǎn)單、成本低廉、使用直觀(guān)方便的優(yōu)點(diǎn)。可用在《基于變頻器的樓宇恒壓供水實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的研究》的項(xiàng)目。

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