一種基于PID控制的數控直流穩壓電源設計

李珍珍

【摘 要】本設計以單片機為控制方式，以Buck電路為對象，采用PID控制策略，研制了一個有電壓顯示的數控直流穩壓電源。論文詳細介紹了系統設計方案、各部分的組成及其工作原理；在軟件方面設計了系統流程圖，編寫了程序代碼，并在實物電路上調試成功，實際結果表明輸出電壓可調范圍為0V—24V，最大電流為10A，效率90%以上，并可由數碼管顯示當前輸出電壓值。系統具有輸出內阻低、功耗低、通用性好、可靠性高、線路簡單、成本低廉、使用直觀方便的優點。

【關鍵詞】Buck；單片機；PID；數控電源

中圖分類號： TG659 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0127-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.058

0 引言

電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業，電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發展而來的現代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發展前景，同時也給電源提出了更高的要求。

單片機技術及電壓轉換模塊的出現為精確數控電源的發展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用，到90年代己出現了數控精度達到0.05V的數控電源，功率密度達到每立方英寸50W的數控電源。本文提出了一種數字化智能電源模塊設計方案，針對傳統智能電源模塊的不足，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環節數，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。

1 提出方案設計工作原理

1.1 基本拓撲結構及工作原理

本文采用如上圖1所示的數控直流穩壓電源的基本拓撲結構，包括了模數轉換器（ADC）、實現一些控制算法的微控制器以及一個數字脈沖寬度調制器（DPWM），該DPWM控制器輸出并產生驅動執行開關動作的一個或幾個晶體管所需的信號。

對于本設計電源開關和濾波器部分共同構成Buck電路的基本結構，負責DC/DC電壓轉換。采樣模塊負責收集直流輸出信號并傳遞給模數轉換模塊，模數轉換模塊將輸入的模擬信號轉換為數字信號，作為控制處理器的輸入信號。控制處理器包含同基準電壓進行比較的比較器、數字PID調節的計算單元、自動檢測單元等。控制處理器負責將經過數字化處理的直流輸出采樣信號同基準電壓進行比較，通過PID調節快速準確地向DPWM模塊發出控制信號，進而穩定電壓。DPWM模塊，即數字脈沖寬度調制模塊是數字化的PWM模塊，根據控制處理器提供的控制信號，通過改變輸出方波的占空比調劑電源開關部分，實現DC/DC變壓。

1.2 Buck電路基本原理

Buck基本結構如圖2所示，通過控制SW開關給電容和電感充電儲能，以達到高效率的能量轉換。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為續流二極管。

開關接通時，其參數輸入電壓Ud，輸出電壓Uo，電感L，電容C，其四者在t時刻的關系為開關接通時，其參數輸入電壓Ud，輸出電壓Uo，電感L，電容C，其四者在t時刻的關系為：

開關管接通時輸入的能量通過電感L對電容C充電，電感中電流線性增加，并在電感L中儲存能量，而電容兩端的電壓基本不變，此時開關管兩端的壓降比較低。

開關管斷開時，其參數電感L的兩端產生右正左負的感應電動勢，使二極管D承受正向電壓導通，電感中的能量通過二極管和電容形成新的一個回路，此時電感中的電流線性下降，從而把電感中貯存的能量放給電容充電中。電流、電壓關系如式（3）和式（4）所示

綜合開關管導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 具體硬件設計

3.1 系統整體結構

按鍵中輸入想要的電壓0V-24V，此時輸入的電壓就可以通過單片機進行計算。計算方法采用PID來控制它的脈寬輸出即控制PWM電路，反饋電壓就是當前所測電壓，這時單片機再對所設定輸入的電壓值進行比較計算，計算后對PWM電路進行控制，最后由數碼管顯示當前電壓。單片機一直處于工作狀態，實時計算當前電壓。

3.2 系統電路原理圖

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LM2596開關電壓調節器得到5V直流電源；右上角模塊為單片機控制電路和單片機（JP2）程序下載串口；左下角模塊為Buck電路。

3.3 Buck電路設計

如圖7所示，開關管IRF9540電流達到10A，所以利用3個4A的電感并聯，但電感并聯后引發感抗降低，所以后面要串聯上兩級的3個電感并聯，以達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個電容并聯，目的是加大電容容量減少紋波，同時也利用三個達林頓二極管并聯加大回流電流。

開關管參數選擇為：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 單片機電路設計

4 測量實驗結果

本設計采用四位數碼管顯示。實際調試結果表明電路誤差不超過。造成誤差的主要原因是溫度系數變化（電路中的元器件發熱——反饋電阻發熱），電壓越大反饋電阻溫度越高，造成輸出誤差越大。

5 結語

本文提出了一種基于PID控制的數控直流穩壓的開關電源設計，采用單片機控制方式，利用PID計算，研制有電壓顯示的數控直流穩壓電源。

該系統具有輸出內阻低、功耗低、通用性好、可靠性高、線路簡單、成本低廉、使用直觀方便的優點。可用在《基于變頻器的樓宇恒壓供水實驗模型設計的研究》的項目。

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