基于STC12C5A60S2与PID算法的数控电源设计

屈育成 2017-12-17 12683

电源设计应用

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描述

　　摘要：基于提高电源效率的目的，设计了采用PID算法的数控电源。系统采用STC12C5A6052自带的PWM控制BUCK电路，同时对其输出电路进行采样，组成了一个高速的闭环控制系统。文中给出了数控电源的接口电路及PID算法的软件设计。实验结果表明：该数控电源具有纹波小、高效率的优点。

　　随着电力电子技术的飞速发展和各行业对用电没备控制要求的提高，人们对供电的电源要求也越来越高。电源的性能直接影响着整个电路系统的性能、寿命。以往所采用的电源大多数是旋钮式电位器进行调节，输出电压无法实现精确的步进。数控电源是从上世纪80年代发展起来的，到现在大多产品的电源仍存在误差较大、分辨率不高、功率较低、效率低、可靠性较差等缺点。因此，设计一款高效率、高性能、精度的数控电源是非常有必要的。

　　根据实际需要，本设计以输出电压可在0～24.0V范围内任意设定，精度±0.1 V，最大电流为5 A，纹波优于1%，效率达70%以上为目标。数控电源以STC12C5A60S2单片机做为CPU，通过按键设定输出电压，单片机给出一定占字比的PWM信号对BUCK电路中的开关管进行控制，经电感、电容滤波后输出一电压。输出端先采用电阻进行分压，然后经反馈电路，最后送入单片机ADC口进行采样。基于PID算法的原理，单片机将输出值与设定值进行比较，得到偏差，然后利用偏差对PWM信号的占空比进行控制，最终系统输出一个稳定的电压值。

　　1 总体设计

　　该数控电源系统总体结构如图1所示，主要由STC12C5A60S2单片机最小系统、变压整流滤波模块、BUCK电路、电压反馈电路、显示电路、按键控制电路等组成。单片机最小系统是数控电源的核心组成部分，负责产生BUCK电路所需的PWM信号;同时实吋检测电压反馈电路的电压。变压整流滤波模块一方面提供单片机、电压反馈电路、显示模块等所需的电源;另一方面经过降压式变换电路（BUCK电路）后直接提供给负载。显示电路主要用于显示设置电压和实际输出的电压。系统将反馈电压与按键控制电路设置的电压进行比较，得到PID算法所需的各个变量，进而控制PWM信号的占空比，得到与没定电压误差非常小的电压。

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　　2 系统硬件设计

　　2.1 STC12C5A60S2单片机最小系统

　　数控开关稳压电源丁作在开关状态，其能量损失只有小部分消耗在开关管的导通压降上，效率高。BUCK电路在开关稳压电源中应用非常广，故本系统选择BUCK电路进行设计。

　　一方面，BUCK电路工作频率通常为几千赫兹到几兆赫兹，通过定时器来控制普通IO口产生PWM已无法满足;另一方面，为了实时对输出电压进行检测，这时系统必须具备A/D转换功能。采用专门的A/D转换芯片，固然可实现输出电压的检测，但电路变得复杂且成本偏高。经综合考虑，本系统采用STC12C5A60S2单片机作为系统的主控制器。

　　STC12C5A60S2是一款功能强大，性价比高的单片机。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的1个时钟/机械周期（1T）的单片机，工作频率为0～35 MHz，相当于传统8051的0～420 MHz。内部集成MAX810专用复位电路，使系统更加稳定可靠地运行。内部集成了两路可编程计数器阵列（PCA）模块，用于输出PWM信号。常温下，使用内部RC振荡器作为单片机时钟时，可输出14～19 kHz的PWM信号;使用外部32MHz晶振作为时钟时，频率最高可达125 kHz。STC12C5A60S2有8路10位高速ADC，90个时钟周期转换一次，CPU工作频率32 MHz时，ADC转换速率约为356kHz。为了实现数控电源内部高速运算，本系统时钟采用外部32 MHz晶振作为时钟源。

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　　STC12C5A60S2单片机最小系统由时钟电路、复位电路组成，其电路如图2所示。单片机最小系统实现按键输入识别、显示控制、PID算法等。

　　2.2 变压整流滤波模块的设计

　　为了提高数控电源的效率、输出电压、输出电流，最终输出稳定的电压，变压整流滤波模块至关重要。变压器的效率为数控电源效率的关键因素之一。如果变压器功耗大，发热量大，能量就会白白地浪费变压器上。基于以上因素考虑，本系统采用效率较高的环牛变压器。

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　　变压整流滤波模块电路如图3所示，其中包含降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。市电220 V交流电经环牛变压器后得到两路的交流电。电压、功率较低的一路可经过整流、滤波、稳压电路供给单片机、显示模块、反馈电路等;电压、功率较大的一路经整流、滤波电路后直接送入BUCK电路。

　　2.3 BUCK电路设计

　　BUCK电路是一种压降式DC—DC变换电路。其功耗小、效率高、体积小等优势而被广泛应用于各类电源中。BUCK电路基本结构如图4所示，本系统使用N沟道的MOS管。当开关管Q导通时，通过电感的电流增加，电感L、C电容储能，其电路等效如图5所示;当Q断开时，通过电感的电流减小，电感L、C电容释放能量，其电路等效如图6所示;当Q的G极为一个高低电平交替变换的PWM信号，要求PWM信号频率比电感L、电容C储能和释放能量的频率高，此时充电速度比放电速度快，输出端就会得到一定的电压。PWM信号的占空比改变时输出的电压随之改变。

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　　2.4 电压反馈电路设计

　　一些开环式电源容易受负载的影响，当负载变化时，输出电压波动较大。为了解决这个问题，本系统设计一个电压反馈电路，使系统为闭环系统，即：输出电压经分压电阻后得到适合单片机采集的电压，经电压跟随器后输入到STC12C5A60S2单片机的ADC0脚。系统利用单片机内置的ADC对输出电压进行实时测量，以调整PWM信号的占空比。系统电压反馈电路如图7所示。

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　　2.5 按键控制与显示电路设计

　　一个数控电源人机交互界面是必不可少的，它包括按键控制电路和显示电路。

　　为了简单便捷地输入设置电压，系统采用4个轻触开关作为控制按键。按键功能分别为：步进增加、步进减小、输出增加、输出减小。

　　本系统要进行设置电压、步进电压的显示，显示电路通常有液晶显示或数码管显示。数码管成奉低、寿命长，但显示内容过少、线路复杂且亮度受供电电源影响较大，故本系统选择使用低功耗、无闪烁、可靠性高的LCD1602液晶。

　　系统按键控制与显示电路如图8所示。

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　　3 系统软件设计

　　3.1 总体软件设计

　　该数控电源软件设计主要包括：PWM信号产生程序、ADC采样程序、PID控制算法程序、按键处理程序、数据显示程序。系统总体流程图如图9所示。系统开始进入初始化程序，包括LCD1602初始化、PID程序初始化、PWM相关寄存器初始化等。单片机处于按键检测状态，有按键输入时，调用按键控制程序，输出一定占空比的PWM，并将设定的电压值显示于LCD1602。另外，单片机对经BUCK电路输出的电压进行ADC釆集，与设定值比较得到PID控制的各项参数，经PID算法，调节PWM占空比，最终得到与设定值非常接近的输出电压。

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　　3.2 PID软件设计

　　数控电源的PID算法系统组成形式如图10所示。系统通过按键设定一定的电压值r后，给出相应占空比值，同时单片机通过ADC采集输出电压，得到测量值z，与给定值对比得到偏差e，计算出PID算法中所需的P、I、D变量值，最终得到准确的被控量y。

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　　4 实验测试

　　按键没定输出电压和实际输出电压测试，其结果如表1所示。数控电源输出的纹波测试如表2所示。由表1可见，输出电压值越低，偏差越小;输出电压值越高，偏差越大，但均不大于0.1V。由表2可见，输出电压越高，纹波越大，但均小于1%。由此可见，系统有较高的精准度。

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　　5 结论

　　测试结果表明，文中设计的基于STC12C5A60S2单片机的数控电源能够较精确地输出设定的电压值，通过运用PWM技术和PID算法对输出的电压进行快速地调整，得到较精确的电压值。系统控制精度高、反应速度快、输出稳定、操作简单，具有一定的实用价值。

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