電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計 廣西大學 PID

廣 西 大 學

電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計報告

課題名稱： 基于PID控制算法的串聯(lián)型開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)

學 院 計算機與電子信息學院

專 業(yè)

班 級

學 號

姓 名

一、課設(shè)要求

基于STC12系列單片機，設(shè)計一個開關(guān)電源，要求用戶從鍵盤輸入一個電壓，并把該電壓值在LCD上面顯示出來，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊對串聯(lián)開關(guān)電源電路的輸出端進行電壓采集，將采集到的電壓值與鍵盤輸入的電壓值進行比較，通過PID閉環(huán)控制算法，控制PWM的脈寬輸出，由此控制串聯(lián)開關(guān)電壓電源電路，改變輸出的電壓值，使得輸出值與設(shè)定的電壓值相等；要求輸出電壓范圍在0.5V ~ 4.5V，步進為0.2V。在PID控制的三個系數(shù)，可以通過遺傳算法來確定。

二、系統(tǒng)框圖和整機概述

本系統(tǒng)主要包括以下部分：單片機模塊，開關(guān)電源模塊，PWM輸出模塊模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，液晶顯示模塊，鍵盤模塊。本設(shè)計由開關(guān)電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號，采用負反饋構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。開關(guān)電源采用PWM控制方式，通過給定量與反饋量的比較得到偏差，通過調(diào)節(jié)器控制PWM輸出，從而控制開關(guān)電源的輸出。當鍵盤輸入預置電壓后其中單片機模塊，PWM輸出，AD采樣，構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)。前端三相交流電源輸入到開關(guān)電源整流模塊，經(jīng)整流濾波后輸出平穩(wěn)的直流電壓。然后經(jīng)過高精度AD轉(zhuǎn)換器將后端輸出的電壓電流信號由模擬信號量變?yōu)閿?shù)字量供給單片機進行PlD運算，經(jīng)過PID控制運算后輸出PWM從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，控制電壓電流穩(wěn)定輸出，進行LCD顯示，從而實現(xiàn)開關(guān)電源控制系統(tǒng)。

圖一 系統(tǒng)框圖

1

整體程序的流程為開始進入初始化程序，包括LCD1602的初始化、PWM的初始化、PID控制算法的初始化等，然后進行按鍵檢測，有按鍵輸入時，調(diào)用按鍵控制子程序，輸出一定占空比的PWM，并將設(shè)定的電壓顯示在LCD1602上，接著讀取AD采樣的電壓值，經(jīng)PID控制算法調(diào)節(jié)PWM的占空比，最終得到一個與設(shè)定電壓非常接近的輸出電壓。這次實驗外接的芯片是AD1674，在程序設(shè)計時就要對AD1674芯片進行配置，把AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機。本次實驗啟動的是12位AD，AD1674接入10V的基準電壓，所以在對電壓值進行計算的時候要使用這個式子計算出實際電壓值。

圖二 程序框圖

PID增量式算法（程序核心）

因為PI系統(tǒng)中的I的存在會使整個控制系統(tǒng)的響應速度受到影響，為了解決這個問題，我們在控制中增加了D微分項，微分項主要用來解決系統(tǒng)的響應速度問題，其完整的公式如下：

u(t)=Kp*e(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)-e(t-1)]+u0

當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量時，需要用PID的“增量算法”。在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機械或物理的積分儲存單元，如果給定值發(fā)生突變時，由算法的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實際上執(zhí) 2

行的控制增量將時受到限制時的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動態(tài)過程變長。糾正這種缺陷的方法是采用積累補償法，當超出執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行能力時，將其多余部分積累起來，而一旦可能時，再補充執(zhí)行。

所以積分項是一個歷史誤差的累積值，如果光用比例控制時，我們知道要不就是達不到設(shè)定值要不就是振蕩，在使用了積分項后就可以解決達不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問題，比方說一個控制中使用了PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達不到設(shè)定值，這時積分項的誤差累積值會越來越大，這個累積值乘上Ki后會在輸出的比重中越占越多，使輸出u(t)越來越大，最終達到消除靜態(tài)誤差的目的。

圖三 電路原理圖

三、開關(guān)電源基本原理

首先是將交流輸入電源經(jīng)整流濾波成脈動直流;然后通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管，將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上;接著開關(guān)變壓器次級感應出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負載;最后，輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達到穩(wěn)定輸出的目的。

根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓電源。

3

電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計 廣西大學 PID.doc下載

圖四 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路

開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。通過下圖，我們來簡單的說說降壓型開關(guān)電源的工作原理。如圖所示，電路由開關(guān)（實際電路中為三極管或者場效應管），續(xù)流二極管，儲能電感，濾波電容等構(gòu)成。當開關(guān)閉合時，電源通過開關(guān)、電感給負載供電，并將部分電能儲存在電感以及電容中。由于電感的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關(guān)斷開，由于電感的自感作用（可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過負載，從地線返回，流到續(xù)流二極管的正極，經(jīng)過二極管，返回電感的左端，從而形成了一個回路。

與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。

通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關(guān)的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

在開關(guān)閉合期間，電感存儲能量；在開關(guān)斷開期間，電感釋放能量，所以

4

電感L叫做儲能電感。二極管在開關(guān)斷開期間，負責給電感提供電流通路，所以二極管叫做續(xù)流二極管。開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實際的應用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。

四、在設(shè)計中所遇到的故障現(xiàn)象、原因及修復方法及數(shù)據(jù)處理

PWM輸出程序和LCD程序的定時器中斷沖突，不能跳出循環(huán)。在仿真時只能運行一個程序，將PWM放進定時器中，不再進入主程序循環(huán)，就可以互不影響，兩個程序就可以同時運行。

穩(wěn)壓電路效果不好，誤差略大。調(diào)整串連穩(wěn)壓電路電感參數(shù)后誤差減小并趨于穩(wěn)定。

原先是對PWM調(diào)整周期和占空比，發(fā)現(xiàn)周期調(diào)整沒有效果。在一個計時口不能同時改變周期和占空比，需要用到兩個計時口才可以。改正之后是可以達到分別調(diào)整周期和占空比的效果。

實際測得的電壓與設(shè)置的電壓對比表格如下：

五、總結(jié)

經(jīng)過近一周的電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計，終于完成了我的串聯(lián)型開關(guān)電源的設(shè)計，達到設(shè)計要求。對于此次課程設(shè)計，有許多的感觸與體會，遇到的難題多，學習到的知識也就更多。這次電子信息系統(tǒng)綜合設(shè)計是一次理論聯(lián)系實際的過程，在這次課程設(shè)計中遇到了許多實際問題，在理論上正確的結(jié)果可能會在試驗中出現(xiàn)各種意料之外的結(jié)果，這就要我們在設(shè)計過程中從實際出發(fā)，盡可能多地考慮各種因素對實驗的影響。另外，在遇到問題時要學會用理論聯(lián)系實際的方法分析問題，解決問題。

本次試驗我個人認為難在電壓校準階段，需要耐心的計算和調(diào)整。在設(shè)計穩(wěn)壓電路的時候，我可以連接單片機電路，這樣就加快了完成的進度。最重要 5

的是要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。在整個課程設(shè)計完后，總的感覺是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學的東西作出有實際價值的東西。在這個過程中，我的確學得到很多在書本上學不到的東西，如：如何設(shè)計一些常用穩(wěn)壓電路等等。但也遇到了不少的挫折，有時遇到了一個錯誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結(jié)果卻是接頭的方向接錯了，有時更是忘接電源了。在動手的過程中卻很有可能犯錯誤，特別是在接電路時，一不小心就會犯錯，而且很不容易檢查出來。但現(xiàn)在回過頭來看，還是挺有成就感的。通過這次實驗我對PWM控制電源使用又有了新的認識。

單片機在現(xiàn)實生活中有很大的的實用價值，學好單片機對于我們電子專業(yè)非常關(guān)鍵，可以讓自己的知識儲備更加豐富，而這次課程設(shè)計正好提供了一個很好的機會加深對單片機知識的掌握。通過這次課程設(shè)計，我對proteus以及Keil等軟件的使用掌握的更加熟練，對C語言程序與單片機的結(jié)合有了更深層次的理解。也讓我了解了關(guān)于串聯(lián)型開關(guān)電源的原理與設(shè)計理念。

最后，本次設(shè)計讓我充分認識到自己的空想與實踐的差別，認識莫眼高手低，莫閉門造車，知識都在不斷更新和流動之中，而扎實的基礎(chǔ)是一切創(chuàng)造的源泉，只有從本質(zhì)上理解了原理，才能更好的學習我們這個電子信息專業(yè)，實現(xiàn)自己的理想。

六、參考文獻：

1、開關(guān)電源原理、設(shè)計及實例 陳純凱

2、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 童詩白

3、C 語言模塊化編程 譚浩強

4、遺傳算法入門_經(jīng)典書籍

6

久久建筑網(wǎng)www.tenaflycs.com提供大量：建筑圖紙、施工方案、工程書籍、建筑論文、合同表格、標準規(guī)范、CAD圖紙等內(nèi)容。