一种基于TNY280与PID算法的数控开关电源设计与开发*

董 亮,雷良育,刘 兵,李雪原,张 辉

(浙江农林大学工程学院,浙江 临安 311300)

一种基于TNY280与PID算法的数控开关电源设计与开发*

董 亮,雷良育*,刘 兵,李雪原,张 辉

(浙江农林大学工程学院,浙江 临安 311300)

开关电源作为一种小体积高效率电源有着越来越广泛的应用,但大部分传统开关电源是不可调节的,稳定性较差,为了克服以上缺点,该设计借助STC12C5A60S2单片机采用增量式PI算法对传统开关电源进行优化设计,开发了一款数控开关电源,其电压调节范围为5 V～25 V,最大输出功率为30 W,具有过载保护功能,输出稳定,精度较高。

开关电源;可调输出;PID算法;PWM控制

开关电源自十九世纪八十年代开始发展,到现在已经获得了较好的应用效果,但仍然存在着精度低、效率低、可靠性差等缺点[1]。传统直流电源大部分是线性电源,主要采用模拟控制方法,通过比较器、调节器来控制输出电压,电源的输出功率受到了一定的限制,且效率不高,一旦成型将难以更改,不利于集成化[2]。数控开关电源采用数控制技术克服了以上缺点,提高了电源工作的稳定性。本数控开关电源基于TNY280电源芯片,采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心进行开发。供电采用220 V交流电源,由按键设定所需的输出电压,分度值为0.1 V,由采样电路获得的输出电压和电流反馈给单片机进行PID调节和过载保护。

1 系统总体设计

1.1 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

电路主要由整流滤波电路、功率变换电路、单片机控制电路、按键电路、显示电路、输出电路和采样电路等组成[3]。依靠硬件电路的设计和改良几乎无法完成输出精度的要求,这就需要进行软件补偿,软件补偿的原理是在硬件反馈的基础上,采用单片机自带AD模块进行采样转换,经控制器计算分析后,通过PWM形式输出到功率变换电路进行调节控制,使输出电压进一步接近目的输出电压。单片机在进行决策时,对输出电压与目的输出电压进行比较,采用PID算法对PWM信号的占空比进行精确调整,以获得稳定的直流电压输出[4]。

2 硬件电路设计

2.1 单片机控制电路

单片机控制电路如图2所示。系统由STC12C5A60S2作为主控制器[5],在众多的51内核单片机中,STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60 K的FLASH ROM,是高速、低功耗、超强抗干扰的经济型单片机[6],它自带2路PWM,内部集成8路高速10位A/D转换[7],满足该设计的控制要求。单片机控制电路如图3所示。其主要由STC12C5A60S2单片机、键盘输入电路、按键复位电路、时钟电路与LCD1602液晶显示电路等组成。在控制器上连接了4个按键,分别为设置键、加键、减键、确认键,可实现对输出电压进行改变的功能。LCD1602液晶显示器,实时地显示出当前的输入电压、输出电压与输出电流值[8]。

图2 单片机控制电路图

图3 主体电源电路图

2.2 主体电源电路

主体电源电路如图3所示。作为电路功率输出部分,其核心部分主要由TNY280电源芯片、功率变压器T1、TL431稳压管等组成。图3中,TNY280负责AC-DC变换任务,其内部集成了700 V的MOSFET,132 kHz的振荡器[9]。光耦PC817配合可控稳压二极管TL431构成精密反馈电路,对主体电源输出进行调整。T1为多级变压器,负责主体电源和辅助电源的降压工作。D10为肖基特二极管,满足高频整流工作的需求。C7、C8、C9、C10及L1构成π型滤波电路[10],进一步稳定输出。TNY280的输出受控于光耦PC817,而光耦的通导与关断与可控稳压二极管TL431相关。因此,通过控制TL431的击穿电压,就可以控制该开关电源的输出电压。

Uref为TL431的参考极对地电压,约为2.5 V,无激励时,其稳压输出值Up如式(1):

Up=Uref+(R5/R6)Uref

(1)

PWM输出对TL431外加激励电压UR7,计算修正得TL431的稳压值Up′如式(2):

Up′=Uref+(R5/R6)(Uref-UR7)

(2)

通过改变UR7的值即可实现对输出稳压值的调节。PWM由单片机直接输出,其调节范围为0～5 V,经过电阻R8、R9分压,使得UR7调节范围为0～2.5 V。

2.3 电压电流采样电路

电压电流采样电路如图4所示。R10与R11串联后并接到输出端,R11上端电压值输出到单片机P1.0口作为电压采样值,其分压比为R11/(R11+R12)≈0.13,C14、C15为抗干扰电容。输出低电位端串联电流采样电阻R12,作为实际输出的负极,R12把输出电流值

转换为电压值,送入单片机P1.1口,供单片机识别相应的电流值。由于其电阻值较小,仅0.05 Ω,对输出电压几乎无影响,但是采集的电压较小,需采用LM358运放进行放大,其放大倍数为1+R15/R14=25。

图4 电压电流采样电路图

3 PID控制策略及实现

3.1 PID控制算法

PID控制算法原理图如图5所示。数控开关电源由按键设定输出电压r(t),给出相应的PWM输出,对应输出适当电压值,此数据通过采样电路反馈给单片机,单片机采用内部集成的AD进行转换,得到测量值,与设定值r(t)进行比较得到偏差е(t),再计算出控制量u(t)。最后得到可靠正确的被控输出量y(t)[11],实时进行微调节。

图5 PID算法原理框图

上述的控制规律可用以式(3)表达:

(3)

式中:KP为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

对式(3)进行离散化处理,得到式(4):

(4)

控制量u(k)的每次输出都与整个过去状态有关,式中要用到上次偏差的累加值,容易产生比较大的累计偏差,可利用增量式控制算法来实现[12]。由式(4)可得:

(5)

将式(5)-式(4)得:

(6)

该算法只要当前与过往3个时间的偏差值就能计算出控制量和增量,能够有效避免计算误差和精度带来对控制量的影响。

3.2 增量式PI控制算法的软件实现

由上节对PID控制的原理可得到,忽略其微分分量,则模拟PI控制的式为:

(7)

离散化为:

(8)

式中:KP为比例系数,KI为积分系数,则增量式PI算法表达为:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+
KITSe(k)=n0e(k)+n1e(k)

(9)

式中:n0和n1为调节参数。依据式(9)实现增量式PID算法流程图如图6所示。

图6 增量式PI算法流程图

4 系统测试

完成设计制作的数控开关电源。使用数字电压表、示波器、功率型模拟负载、功率表等仪器仪表设备对设计的数控开关电源性能进行综合测试。其空载、负载性能测试结果分别如表1～表3所示。

表1 空载性能测试结果

表2 负载性能测试结果1

表3 负载性能测试结果2

5 结论

经过综合测试,电源输出电压步进可调节,输出波纹较小,运行稳定,无噪音,电源平均工作效率达到80%,且具有过载保护功能,满足了预先的设计要求。本设计成本低廉,结构轻巧,界面友好,稍加改造,即可应用于自控设备中,应用前景较广。

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DesignandDevelopmentofaDigitalControlSwitchPowerSupplyBasedonTNY280andPIDAlgorithm*

DONGLiang,LEILiangyu*,LIUBing,LIXueyuan,ZHANGHui

(School of Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an Zhejiang 311300,China)

The switching power supply as a small volume,high efficiency power supply is becoming more and more popular,but most of the traditional switching power supply is not adjustable and poor stability. In order to overcome the above shortcomings,a design uses the STC12C5A60S2 MCU and the incremental PI algorithm to optimize the traditional switching power supply,a numerical control switching power supply was developed,its output voltage range is adjustable form 5 V to 25 V. Its maximum output power is 30 W. It has the functions of overload protection,stable output,and high precision.

switching power supply;adjustable output;PID algorithm;PWM control

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.021

项目来源:2015年杭州市萧山区引进海外高层次人才“5213”计划项目

2016-09-02修改日期2016-12-07

TN86

A

1005-9490(2017)05-1156-05

董亮(1990-),男,江苏溧阳人,硕士,主要研究方向为智能检测与控制技术,dongliang1990@foxmail.com;

雷良育(1966-),男,湖北蕲春人,博士,教授,主要研究方向为机电检测与控制技术、新能源汽车控制技术,lly@zafu.edu.cn。