毕业设计（论文）-数控直流电流源.doc

绵阳师范学院本科生毕业设计（论文）题目数控直流电流源专业电气工程及其自动化院部物理与电子工程学院学号0909040223姓名思密达指导教师白富美答辩时间二0一三年五月工作时间：2012年12月至2013年5月绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）数控直流电流源学生：思密达指导教师：白富美摘摘要要：本设计以STM32单片机为控制核心，以降压斩波芯片TPS5430为系统电源供电模块，交流220V电压经过电源变压、整流、滤波后接入降压斩波芯片中，经过降压后，使输出电压小于10V。然后连接到MOS管及其精密采样电阻中。负载端串联的精密电阻将变化的电流转换成电压，然后经过运算放大器将微弱电压信号放大，再利用STM32自带的12位AD对输出电流进行实时采样，然后利用微控制器及其PID算法运算、调节，最后由微控制器控制DAC8568输出相应电压到MOS管的G极，通过控制G极的电压，动态的稳定输出电流。该系统主要由电源变压电路、整流电路、滤波电路、降压斩波电路、直流稳压电路、采样电路、显示与控制电路组成。其中降压斩波电路主要是供给系统恒流电路供电，直流稳压电路主要供给控制器系统供电，采样电路实时采集输出电流，再由控制器分析、计算，稳定输出电流。显示控制电路主要是设定输出电流大小及其实时显示输出电流值。关键词关键词：STM32；精密电阻；稳压；斩波绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）DigitalControlledConstantCurrentSourceUndergraduate:-Supervisor:-Abstract:ThisdesignbySTM32microcontrollerasthecontrolcorestep-downchopperTPS5430chipasthesystempowersupplymoduleac220vvoltageafterthepowertranserrectifierfilteraccessstep-downchopperchipafterecompressionmaketheoutputvoltageislessthan10v.AndthenconnecttotheMOStubeanditsprecisionofsamplingresistance.LoadseriesprecisionresistancewillchangecurrentintoavoltageandthenthroughtheoperationalamplifierwillweakvoltagesignalamplificationusingSTM32own12ADtoreal-timesamplingofoutputcurrentthenusemicrocontrollerandthePIDalgorithmoperationadjustmentfinallyiscontrolledbyamicrocontrollerDAC8568outputvoltagecorrespondingtotheMOStubeofGGcontrolthroughthevoltagethedynamicstabilityofoutputcurrent.Thesystemismainlycomposedofapowertranserrectifiercircuitfiltercircuitstep-downchoppercircuitdcvoltageregulatorcircuitsamplingcircuitdisplayandcontrolcircuit.Thebuckchoppercircuitismainlyacross-flowcircuitpowersupplysystempowersupplythecontrolsystemofdcvoltagestabilizingcircuitmainsupplyreal-timecollectionandoutputcurrentsamplingcircuitagainbythecontrolleranalysiscalculationstableoutputcurrent.Displaycontrolcircuitmainlysetoutputcurrentsizeandreal-timedisplayoutputcurrentvalue.Keywords:STM32；precisionresistor；regulator；chopper绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）目录目录1引言.11.1国内外研究现状.11.1本文研究的主要内容.12方案比较与论证.22.1微处理器模块.22.2电流采样模块.22.3控制、调节模块.22.4恒流模块.23理论分析与计算.53.1PID控制算法原理.53.1.1模拟PID控制算法.53.1.2数字式PID控制算法.53.2采样电路.53.3AD转换电路.53.4DA转换电路.93.4.1DA转换器的种类与原理.93.4.2DAC8568简介.93.4.3DAC8568操作命令.123.5降压斩波电路.123.5.1降压斩波电路原理.123.5.2TPS5430简介.134硬件电路设计.154.1STM32最小系统.154.2电源电路.154.3DC-DC斩波电路.164.4恒流电路.165系统设计.185.1系统原理框图.185.2系统流程图.186调试及其数据处理.206.1电源测试.206.2恒流源测试.20结论.20参考文献：.22致谢.23附录.24绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）11引言1.1国内外研究现状在电子技术飞速发展的今天，电子产品已经深入到生活的方方面面，大家也就对系统的高效率、低功耗和高精度有了更高的需求。各种各样的消费电子技术的更新，推动电源行业中DC-DC向高灵活性、高精度和智能化方向发展。电源分为逆变电源、交流稳压电源、直流稳压电源、DCDC电源、通信电源、变频电源、UPS电源、EPS应急电源等。在本设计中主要设计的电源为：直流恒流电源。恒流电源的应用非常广泛，例如在大功率LED驱动电路中，需要使LED的电流恒定在一定的范围内，否则会减小LED的使用寿命，更严重的会烧毁LED。又例如在一些电子电路中经常需要一些恒流源为其他的外围电路提供稳定的直流电流，以使得器件工作在合适的区域或者状态下。由此可见，恒流源任是当今电子电路不可缺少的一部分。1.2本文研究的主要内容本设计主要设计一数控直流电流源，其输出电流可以由控制器设定。该设计具有步进“+”，“-”功能，步进值有1mA，10mA。且具有过流、过压保护功能。当微控制器检测到电流、电压超过系统设定的阀值时，系统输出一DA值，关闭MOS管。当控制器检测到系统稳定后，系统自动重新启动电路。系统主要由恒流电路、采样电路组成。恒流电路部分只要由运放、MOS管、精密采样电阻等组成。电源首先连接到负载两端，然后经过一MOS管，最后在连接一采样电阻，将采样电阻端的电压引入到运放的负相输入端，正相端连接由DA输出的电压值，由电子电路知识可知，当运放的正相与负相端电压相等时，运放的输出端电压趋于稳定。故输出电流不受负载的电阻的改变而改变。绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）22方案比较与论证2.1微处理器模块方案一：采用AT89S52作为主控芯片。该单片机操作简单，容易掌握。具有8K的系统可编程Flash1000次的擦写周期，有32个可编程IO口，3个16位的定时计数器，8个中断源，及其USART、看门狗等资源。但该单片机运算速度缓慢，无DA、AD等资源，增加了产品格外的成本。因此在参数要求比较高的产品中难以实现。方案二：采用ST公司的STM32作为控制芯片。该控制器是一种基于ARMCortex-M3内核的32位处理器，且功耗低，在市场上该控制器的使用也是比较普遍。该控制器有2个12位16通道的AD转换器；7个定时器，其中3个通用定时器，2个高级定时器和2个看门狗定时器；多达80个快速IO口，且所有IO口可以映像到16个外部中断；并具有I2C、USART、SPI、USB等通讯接口方便与其他的设备进行通信。且高达72MHz系统时钟可方便的检测被控器件的变化以便做出反应。通过分析比较，采用方案二。2.2电流采样模块方案一：直接对普通大功率电阻采样。该方案简单，信号不需要额外的放大电路，因此成本低廉。但是普通大功率电阻的阻值不但不精确而且还随着环境的变化而变化，在本设计中因为电路电流可高达2A必然会使其温度升高，从而导致阻值变化。如用其采样必影响系统的精度，使其不能达到预期的效果。方案二：用精密采样电阻采样。采样电阻利用精密电阻。精密电阻具有稳定型好，功率大，而且阻值不会随着环境的变化而变化的特点。利用该采样电阻不但提高了系统的稳定性而且增加了系统精度。经过比较、分析，选择方案二。2.3控制、调节模块方案一：直接使用硬件调节。该调节方案具有电路结构简单，容易实现的优点。且硬件调节对电路电流的变化比较敏感，能够快速的响应。但是，直接使用硬件调节不但抗干扰不强，而且不能实现电流的可控输出。方案二：采用微控制器结合PID算法调节。STM32微控制器运算速度快，资源丰富。PID算法是一种广泛的控制方法，且原理简单，容易实现。使用软件与硬件结合的方案可以达到比较好的效果。经分析，选择方案二。2.4恒流模块方案一：采用开关电源的PWM方式恒流绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）3如下图所示：TL494是一种规定频率脉宽调制的IC。内置线性锯齿波振荡器，外置RC振荡，其振荡频率为：。内部自带误差放大器和1.1oscTTfRC5V参考基准电压源。输出死区可调，具有500mA的驱动能力。其原理图如下所示：这是一个BUCK斩波电路，输出电压VOUT经过R2，R3分压后，与VREF经过R1分压后的电压比较当两者达到相同的值时，输出电压稳定，且输出电压为：，（为TL494第2脚电压）。232()OUTVVRRRV当负载电阻减小时，输出电流增大，则R8两端的电压增大，使得误差放大器2的负相端电压增大，正相端电压不变，控制输出波形的占空比减小，因此输出电流减小。当负载增大时，输出电流减小，电阻R8压降减小，误差放大器2负相端电压减小，使输出PWM波的占空比增大，从而输出电流增大。+1IN1-1IN2Commp3DC4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12OC13Vref14-2IN15+2IN16U1TL494Q1IRFP9540R6200+24VCCT2500uHD1HERF307GND+C14700ufGNDC30.001ufR131KVSSVSSVSSVSSR124.7KVSSR91MR747KC2104R104.7KVREFR1103VSSVREFR21.5KR36.5KGNDVOUTR114.7KR54.7KR44.7KT1CZVOUT+12VCC12P1LOAD1R8GNDAD_INAD_INDA_OUT图2-1BUCK电路原理图这是一种改变电压，达到恒定电流的方式。该方案具有功耗损耗小、体积小、效率高等优点。但是，由于这是一种改变输出电压恒定电流的方式，难保证输出电压在10V以内变化，而且开关电源控制电路结构复杂，输出纹波较大，不易达到题目的精度要求。方案二：利用线性集成稳压器件构成恒流源线性稳压电源是一种输入大于输出的稳压器件，且反应速度快，输出纹波小。由于调整管工作在线性状态下，所以发热较大，效率也较低。线性稳压电路的系统原理图如下所示：0.33uFC2RL0.33uFC1VINR2GNDIqVOUTVxxVINGNDOUTU绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）4图2-2线性稳压电路如图1-3所示：U是一个三端稳压器件，VIN是输入电压，VOUT是输出电压，则输出电流：其中：为稳压器静态电流。一般为5mA10mA。qI:该方案结具有构简单，便于实现，输出电流纹波小的优点，但是不能实现输出电流可控的目的。方案三：利用控制MOS管实现恒流MOS管也称为场效应管，是一种小电压控制大电流的器件。由于在MOS管的G极加一个电压就可以控制MOS的通道状态。所加的电压不一样，其MOS管的导通内阻就不一样。因此可以控制单片机输出DA值到MOS管的G极，然后采样精密电阻两端的电压，经过单片机计算后再输出一新的DA值，从而稳定输出电流。其系统流程图如下所示:DA输出初始值AD采样电压CPU运算处理DA输出开始恒流图2-3MOS管恒流流程图2XXOUTqVIIR绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）53理论分析与计算3.1PID控制算法原理3.1.1模拟PID控制算法将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）与微分（Differential）通过线性组合对被控对象进行控制、调节，这样的控制器称为PID控制器。模拟PID算法的原理为给定量r(t)与实际输出值y(t)相比较其差值为e(t)=r(t)-y(t)这个差值作为PID控制器的输入信号。经过PID控制器的调整后输出控制实际信号，该信号为被控制对象的输入信号。从()ut而减小两者之间的误差。所以模拟PID控制器的控制规律为公式（3-1）01)tde(t)u(t)Kpe(t)e(tdtTdTidt其中：Kp比例系数。Ti积分系数。Td微分系数。因为微处理器是一种采样控制器件，不能像模拟PID那样连续控制，只能根据采样时刻的偏差计算控制量。所以只能使用数字式PID控制，其中数字PID控制又分为位置式PID算法与增量式PID算法。其控制系统图如下所示：y(t)r(t)+x(t)e(t)比例积分微分被控对象图3-1PID控制框图3.1.2数字式PID控制算法将PID公式进行离散化处理：以T为采样周期，k为采样序号，那么连续时间可用离散采样时间KT表示，再利用矩形法数字积分近似代替积分，将一阶后向差分近似代替微分，则有下式：公式（3-(012.)tkTk绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）62）公式（3-3）000()()kkttjjjetdTejTTe公式（3-4）1()()(1)kkeedetekTekTdtTT将上述三式代入式2-1得到:公式（3-5）10kkkkpkjjeeTuKeeTdTiT再简化为：公式（3-6）10()kkkjkkjuKpeKieKdee：采样序号，k0，1，2，；k：第k次采样时刻的计算机输出值；ku：第k次采样时刻输入的偏差值；ke：第k-1次采样时刻输入的偏差值；1keKp：比例系数；Ki：积分系数；Kd：微分系数；如果采样周期T足够小，那么式3-5与3-6的计算结果将获得足够的精确度且可能与连续PID控制过程相当。由于该方法给出了全部控制量的输出，所以被称为全量式或位置式PID算法。但是该方法每次的输出量均与过去的状态相关，计算输出量时要对进行累加，这样势必使得其工作量大，控制时间长，ke并且，微控制器的输出量对应被控对象的实际位置，如果微控制器出现故障，ku输出量将大幅变化，在这种情况下很可能造成严重的事故。为了解决这个问题我们一般使用增量式PID算法。增量式PID算法可由位置式算法推导得出。由式3-5可以得到微控制器第k-1个采样时刻的输出值为：公式（3-7）112110kkkkkjjeeTuKpeeTdTiT将式3-5与式3-7相减得：12112()kkkkkkkkkeeeTuuuKpeeeTdTiT122(1)(1)kkkTTdTdTdKpeKpeKpeTiTTT绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）7公式（3-8）12kkkeee其中：(1)TTdKpTiT2(1)TdKpTTdKpT由式3-8可以看出，如果采样周期T，确定，只要求的前后的三次偏差值便可以得到输出量。由此可以看出增量式PID算法具有控制结构简单，调节速度快，稳定性好等优点。3.2采样电路该设计中，采样电阻的大小为50m，输出电流的范围为200mA2000mA，则采样电阻两端的最小电压为：:。最大电压为：。ADmin502000.01ummAVmax5020000.1umAmAV采样时的参考电压：=2.5V。因此我们可以采样同相比例放大电路，将电压REFV放大到容易采样的电压值。由计算得：=2.50.1=25。此时当流过采样电阻maxG的电流为200mA时，经过放大后采样电阻两端的电压为V=250.01V=0.25V。为留有余量，我们将放大倍数设为20。此时最大输出电流为：=2.52050=2.5A，符合题目要求。maxI3.3AD转换电路由于模拟信号在时间上是连续的，而数字信号是离散的，为了使数字器件可以处理模拟信号，必须将模拟信号转换为数字信号，即模数转换，也称为AD转换。AD转换为了分为四个步骤：采样、保持、量化和编码。为了能正确无误的用取样信号表示模拟信号，必须使采样频率大于2倍模拟信号频率。svIv常用的AD转换器有：并联比较型、反馈比较型、双积分型、及其V-F变换型等。下图是并联比较型AD转换器原理框图：绵阳师范学院2013届本科毕业设计（论文）81DC1FF51DC1FF71DC1FF61DC1FF41DC1FF21DC1FF1-+C7-+C6-+C5-+C4-+C3-+C