电子信息系统综合设计 广西大学 PID

广 西 大 学

电子信息系统综合设计报告

课题名称： 基于PID控制算法的串联型开关电源设计与实现

学 院 计算机与电子信息学院

专 业

班 级

学 号

姓 名

一、课设要求

基于STC12系列单片机，设计一个开关电源，要求用户从键盘输入一个电压，并把该电压值在LCD上面显示出来，再由A/D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集，将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较，通过PID闭环控制算法，控制PWM的脉宽输出，由此控制串联开关电压电源电路，改变输出的电压值，使得输出值与设定的电压值相等；要求输出电压范围在0.5V ~ 4.5V，步进为0.2V。在PID控制的三个系数，可以通过遗传算法来确定。

二、系统框图和整机概述

本系统主要包括以下部分：单片机模块，开关电源模块，PWM输出模块模块，AD转换模块，液晶显示模块，键盘模块。本设计由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式，通过给定量与反馈量的比较得到偏差，通过调节器控制PWM输出，从而控制开关电源的输出。当键盘输入预置电压后其中单片机模块，PWM输出，AD采样，构成单闭环系统。前端三相交流电源输入到开关电源整流模块，经整流滤波后输出平稳的直流电压。然后经过高精度AD转换器将后端输出的电压电流信号由模拟信号量变为数字量供给单片机进行PlD运算，经过PID控制运算后输出PWM从而构成一个闭环系统，控制电压电流稳定输出，进行LCD显示，从而实现开关电源控制系统。

图一 系统框图

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整体程序的流程为开始进入初始化程序，包括LCD1602的初始化、PWM的初始化、PID控制算法的初始化等，然后进行按键检测，有按键输入时，调用按键控制子程序，输出一定占空比的PWM，并将设定的电压显示在LCD1602上，接着读取AD采样的电压值，经PID控制算法调节PWM的占空比，最终得到一个与设定电压非常接近的输出电压。这次实验外接的芯片是AD1674，在程序设计时就要对AD1674芯片进行配置，把AD转换后的数据送入单片机。本次实验启动的是12位AD，AD1674接入10V的基准电压，所以在对电压值进行计算的时候要使用这个式子计算出实际电压值。

图二 程序框图

PID增量式算法（程序核心）

因为PI系统中的I的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响，为了解决这个问题，我们在控制中增加了D微分项，微分项主要用来解决系统的响应速度问题，其完整的公式如下：

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

当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用PID的“增量算法”。在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执 2

行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。

所以积分项是一个历史误差的累积值，如果光用比例控制时，我们知道要不就是达不到设定值要不就是振荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题，比方说一个控制中使用了PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越来越大，这个累积值乘上Ki后会在输出的比重中越占越多，使输出u(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的。

图三 电路原理图

三、开关电源基本原理

首先是将交流输入电源经整流滤波成脉动直流;然后通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上;接着开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载;最后，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。

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图四 开关稳压电源电路

开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管，储能电感，滤波电容等构成。当开关闭合时，电源通过开关、电感给负载供电，并将部分电能储存在电感以及电容中。由于电感的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管的正极，经过二极管，返回电感的左端，从而形成了一个回路。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以

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电感L叫做储能电感。二极管在开关断开期间，负责给电感提供电流通路，所以二极管叫做续流二极管。开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。

四、在设计中所遇到的故障现象、原因及修复方法及数据处理

PWM输出程序和LCD程序的定时器中断冲突，不能跳出循环。在仿真时只能运行一个程序，将PWM放进定时器中，不再进入主程序循环，就可以互不影响，两个程序就可以同时运行。

稳压电路效果不好，误差略大。调整串连稳压电路电感参数后误差减小并趋于稳定。

原先是对PWM调整周期和占空比，发现周期调整没有效果。在一个计时口不能同时改变周期和占空比，需要用到两个计时口才可以。改正之后是可以达到分别调整周期和占空比的效果。

实际测得的电压与设置的电压对比表格如下：

五、总结

经过近一周的电子信息系统综合设计，终于完成了我的串联型开关电源的设计，达到设计要求。对于此次课程设计，有许多的感触与体会，遇到的难题多，学习到的知识也就更多。这次电子信息系统综合设计是一次理论联系实际的过程，在这次课程设计中遇到了许多实际问题，在理论上正确的结果可能会在试验中出现各种意料之外的结果，这就要我们在设计过程中从实际出发，尽可能多地考虑各种因素对实验的影响。另外，在遇到问题时要学会用理论联系实际的方法分析问题，解决问题。

本次试验我个人认为难在电压校准阶段，需要耐心的计算和调整。在设计稳压电路的时候，我可以连接单片机电路，这样就加快了完成的进度。最重要 5

的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。在整个课程设计完后，总的感觉是：有收获。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何设计一些常用稳压电路等等。但也遇到了不少的挫折，有时遇到了一个错误怎么找也找不到原因所在，找了老半天结果却是接头的方向接错了，有时更是忘接电源了。在动手的过程中却很有可能犯错误，特别是在接电路时，一不小心就会犯错，而且很不容易检查出来。但现在回过头来看，还是挺有成就感的。通过这次实验我对PWM控制电源使用又有了新的认识。

单片机在现实生活中有很大的的实用价值，学好单片机对于我们电子专业非常关键，可以让自己的知识储备更加丰富，而这次课程设计正好提供了一个很好的机会加深对单片机知识的掌握。通过这次课程设计，我对proteus以及Keil等软件的使用掌握的更加熟练，对C语言程序与单片机的结合有了更深层次的理解。也让我了解了关于串联型开关电源的原理与设计理念。

最后，本次设计让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的学习我们这个电子信息专业，实现自己的理想。

六、参考文献：

1、开关电源原理、设计及实例 陈纯凯

2、模拟电子技术基础 童诗白

3、C 语言模块化编程 谭浩强

4、遗传算法入门_经典书籍

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