一款基于STC12C5A60S2與PID算法的數控電源

　　摘要：基于提高電源效率的目的，設計了采用PID算法的數控電源。系統采用STC12C5A6052自帶的PWM控制BUCK電路，同時(shí)對其輸出電路進(jìn)行采樣，組成了一個(gè)高速的閉環(huán)控制系統。文中給出了數控電源的接口電路及PID算法的軟件設計。實(shí)驗結果表明：該數控電源具有紋波小、高效率的優(yōu)點(diǎn)。

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行業(yè)對用電沒(méi)備控制要求的提高，人們對供電的電源要求也越來(lái)越高。電源的性能直接影響著(zhù)整個(gè)電路系統的性能、壽命。以往所采用的電源大多數是旋鈕式電位器進(jìn)行調節，輸出電壓無(wú)法實(shí)現精確的步進(jìn)。數控電源是從上世紀80年代發(fā)展起來(lái)的，到現在大多產(chǎn)品的電源仍存在誤差較大、分辨率不高、功率較低、效率低、可靠性較差等缺點(diǎn)。因此，設計一款高效率、高性能、

　　高精度的數控電源是非常有必要的。

　　根據實(shí)際需要，本設計以輸出電壓可在0～24.0V范圍內任意設定，精度±0.1 V，最大電流為5 A，紋波優(yōu)于1%，效率達70%以上為目標。數控電源以STC12C5A60S2單片機做為CPU，通過(guò)按鍵設定輸出電壓，單片機給出一定占字比的PWM信號對BUCK電路中的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，經(jīng)電感、電容濾波后輸出一電壓。輸出端先采用電阻進(jìn)行分壓，然后經(jīng)反饋電路，最后送入單片機ADC口進(jìn)行采樣?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PID">PID算法的原理，單片機將輸出值與設定值進(jìn)行比較，得到偏差，然后利用偏差對PWM信號的占空比進(jìn)行控制，最終系統輸出一個(gè)穩定的電壓值。

　　1 總體設計

　　該數控電源系統總體結構如圖1所示，主要由STC12C5A60S2單片機最小系統、變壓整流濾波模塊、BUCK電路、電壓反饋電路、顯示電路、按鍵控制電路等組成。單片機最小系統是數控電源的核心組成部分，負責產(chǎn)生BUCK電路所需的PWM信號;同時(shí)實(shí)吋檢測電壓反饋電路的電壓。變壓整流濾波模塊一方面提供單片機、電壓反饋電路、顯示模塊等所需的電源;另一方面經(jīng)過(guò)降壓式變換電路(BUCK電路)后直接提供給負載。顯示電路主要用于顯示設置電壓和實(shí)際輸出的電壓。系統將反饋電壓與按鍵控制電路設置的電壓進(jìn)行比較，得到PID算法所需的各個(gè)變量，進(jìn)而控制PWM信號的占空比，得到與沒(méi)定電壓誤差非常小的電壓。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 STC12C5A60S2單片機最小系統

　　數控開(kāi)關(guān)穩壓電源丁作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其能量損失只有小部分消耗在開(kāi)關(guān)管的導通壓降上，效率高。BUCK電路在開(kāi)關(guān)穩壓電源中應用非常廣，故本系統選擇BUCK電路進(jìn)行設計。

　　一方面，BUCK電路工作頻率通常為幾千赫茲到幾兆赫茲，通過(guò)定時(shí)器來(lái)控制普通IO口產(chǎn)生PWM已無(wú)法滿(mǎn)足;另一方面，為了實(shí)時(shí)對輸出電壓進(jìn)行檢測，這時(shí)系統必須具備A/D轉換功能。采用專(zhuān)門(mén)的A/D轉換芯片，固然可實(shí)現輸出電壓的檢測，但電路變得復雜且成本偏高。經(jīng)綜合考慮，本系統采用STC12C5A60S2單片機作為系統的主控制器。

　　STC12C5A60S2是一款功能強大，性?xún)r(jià)比高的單片機。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的1個(gè)時(shí)鐘/機械周期(1T)的單片機，工作頻率為0～35 MHz，相當于傳統8051的0～420 MHz。內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，使系統更加穩定可靠地運行。內部集成了兩路可編程計數器陣列(PCA)模塊，用于輸出PWM信號。常溫下，使用內部RC振蕩器作為單片機時(shí)鐘時(shí)，可輸出14～19 kHz的PWM信號;使用外部32MHz晶振作為時(shí)鐘時(shí)，頻率最高可達125 kHz。STC12C5A60S2有8路10位高速ADC，90個(gè)時(shí)鐘周期轉換一次，CPU工作頻率32 MHz時(shí)，ADC轉換速率約為356kHz。為了實(shí)現數控電源內部高速運算，本系統時(shí)鐘采用外部32 MHz晶振作為時(shí)鐘源。

　　STC12C5A60S2單片機最小系統由時(shí)鐘電路、復位電路組成，其電路如圖2所示。單片機最小系統實(shí)現按鍵輸入識別、顯示控制、PID算法等。

　　2.2 變壓整流濾波模塊的設計

　　為了提高數控電源的效率、輸出電壓、輸出電流，最終輸出穩定的電壓，變壓整流濾波模塊至關(guān)重要。變壓器的效率為數控電源效率的關(guān)鍵因素之一。如果變壓器功耗大，發(fā)熱量大，能量就會(huì )白白地浪費變壓器上?；谝陨弦蛩乜紤]，本系統采用效率較高的環(huán)牛變壓器。

　　變壓整流濾波模塊電路如圖3所示，其中包含降壓電路、整流電路、濾波電路、穩壓電路。市電220 V交流電經(jīng)環(huán)牛變壓器后得到兩路的交流電。電壓、功率較低的一路可經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩壓電路供給單片機、顯示模塊、反饋電路等;電壓、功率較大的一路經(jīng)整流、濾波電路后直接送入BUCK電路。

　　2.3 BUCK電路設計

　　BUCK電路是一種壓降式DC—DC變換電路。其功耗小、效率高、體積小等優(yōu)勢而被廣泛應用于各類(lèi)電源中。BUCK電路基本結構如圖4所示，本系統使用N溝道的MOS管。當開(kāi)關(guān)管Q導通時(shí)，通過(guò)電感的電流增加，電感L、C電容儲能，其電路等效如圖5所示;當Q斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)電感的電流減小，電感L、C電容釋放能量，其電路等效如圖6所示;當Q的G極為一個(gè)高低電平交替變換的PWM信號，要求PWM信號頻率比電感L、電容C儲能和釋放能量的頻率高，此時(shí)充電速度比放電速度快，輸出端就會(huì )得到一定的電壓。PWM信號的占空比改變時(shí)輸出的電壓隨之改變。

　　2.4 電壓反饋電路設計