高精度恒流源的设计与实验毕业论文.doc

高精度恒流源的设计与实验毕业论文目 录1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外恒流源研究现状和发展前景11.3 本课题研究的主要内容21.4 论文结构安排31.5 本章小结32高精度恒流源工作原理42.1恒流源的定义42.2 传统恒流源介绍52.3 高精度恒流源的工作原理62.4 恒流源的主要质量参数72.5 本章小结83 高精度恒流源系统的硬件设计与实现93.1硬件设计的总体框图93.2 硬件电路设计及主要器件选型93.2.1 主电路设计103.2.2 电源电路设计113.2.3 控制电路设计123.2.4 D/A转换电路设计133.2.5 A/D采样电路设计143.2.6 基准电路设计153.2.7 按键电路设计163.2.8 液晶显示电路设计173.2.9 CPU资源的分配183.2.10 系统散热183.2.11 采样电阻选择183.3 本章小结194 高精度恒流源系统的软件设计与实现204.1 系统软件设计204.1.1 主程序处理204.1.2 系统初始化处理214.1.3 A/D子程序处理214.1.4 液晶显示子程序224.1.5键盘子程序234.2 PID控制算法介绍244.2.1 位置式PID254.2.2 增量式PID264.2.3 PID参数整定264.3 本章小结275 实验结果和分析285.1 系统硬件的调试285.2 给定值与输出电流值的偏差测试与分析295.3 恒流源纹波的测试与分析315.4 恒流源稳定度的测试与分析325.5 本章小结336 总结与展望346.1 系统总结346.2 系统展望34致 谢36参考文献37附录38V毕业设计（论文）专用纸1 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着科学技术的不断发展,越来越多的领域需要使用到恒流源，如传感器、某些精密测量技术、卫星通信、核物理实验装置、自动化仪器仪表以及其它数字控制等方面恒流源的应用显得非常突出，故恒流源的研究和开发具有十分重要的意义。在许多场合,尤其是在测量技术方面需要高精度恒流源。一些需要工作电流小、高精度的恒流源可以直接购买,但特别是工作在大电流、高精度的恒流源仍需单独去设计实现。通常我们把能够向负载提供恒定电流的电源称为恒流源,它的应用范围非常广泛,而且在很多情况下是必不可少的1。例如在测量电感的阻值时，传统的伏安法测量因系统存在误差，测量的结果也会产生较大的误差。然而，恒流源可以被用于一些测量电路中,其测量精度非常高，例如平时对电阻阻值的测量，电感阻值的测量以及电缆电阻的测量等，当然，电流越稳定，被测量的阻值就越准确。1.2 国内外恒流源研究现状和发展前景国内比较知名的电源生产厂商大概有:温州聚创电气科技有限公司、西安市奥科电气设备有限公司、上海至茂电子科技有限公司。当然，对比国内外在这方面的技术，我们还是有些欠缺的地方。国外的知名电子生产厂商有:Maxim(美信)、Linear、Power , Power ,德州仪器、Fairchild,Exar,Nslogo,Power ,等。以国内的安泰信公司生产的一款直流恒流电源举例说明:型号:PCR70输入电压:AC220V士10%50HZ输出电压:0-25V(DC)之间连续可调输出电流:0-4A(DC)之间连续可调额定输出功率:100W电压稳定度0.5%负载稳定度s0.1%保护方式:过流、过压、短路、过温保护工作环境温度:0-40C国外的产品以AnalogTechnology公司的直流恒流源为例:型号:AAS20A5V输入电压:88-26 VAC输出电压:0-5V(DC)连续可调输出电流:0-20A (DC)连续可调额定输出功率:100W工作环境温度:-20-50C电压稳定度0.1%负载稳定度s0.1%可见，国外的恒流源还是有明显的技术上的优势，在恶劣的环境下也可以正常工作，并且国外的恒流源在稳定度、精度方面更高。新兴电源市场未来的发展方向是集成化和数字化。在这些新兴的电源市场中包括电源变换技术、变频技术和可再生能源，其中，电源变换技术有非常好的发展商机。 1.3 本课题研究的主要内容本课题设计的思路，是一款基于ARM平台STM32f103rbt6处理器作为主控芯片，高精度恒流源的设计与实验，该电路的主要目标参数如下：（1）设计一输出10A，最大功率为50W的恒流源；（2）要求输出电流稳态误差1；（3）输入为220V、50Hz工频电源；（4）试给出系统的电路设计，以及软件实现等。1.4 论文结构安排本文共分六章，各章内容如下：第一章 概括了恒流源研究背景和发展前景，分析了国内外研究的现状，介绍了本课题所研究的内容。第二章 介绍了传统恒流源，并提出了改进方案。概述高精度恒流源系统结构以及工作原理，分析恒流源的主要质量参数。第三章 本章是恒流源系统设计最重要的部分，介绍了高精度恒流源的硬件设计方案和元器件的选型。包括主电路设计、控制电路设计、电源模块设计、D/A 、 A/D、恒流电路设计以及采样电阻和人机交互设计等。第四章 介绍了系统的软件设计方案、开发调试环境以及软件调试过程，对PID控制算法进行研究，并介绍了各部分的软件设计流程和控制程序。第五章 对系统的纹波系数和稳定度等参数指标进行了测试，分析误差来源以及提出了改善方案，进而评定出系统性能的优劣。第六章 对本课题研究的成果进行总结与概括，进一步改进提出建议和未来展望。1.5 本章小结 本章概述恒流源的背景、发展前景和本课题所要研究的内容，并在本章节的最后，对本文的结构设计安排作了一个提纲，为本文的研究指明了一个方向。32高精度恒流源的原理2.1 恒流源的定义恒流源就是能提供恒定电流的电源。在理想电路中，恒流源的内阻可以等效无穷大，在实际电路中，电源工程师他们只能将恒流源的等效内阻尽力的做到趋于无穷大。当然，非理想恒流源的输出电压是有限的，也就是仅允许其在一个符合规定的电压范围内工作，即作为恒流源。理想恒流源符号与输出特性如下图所示。图2.1 理想恒流源符号与输出特性实际恒流源模型如图 2.2 所示，其中Is是理想的恒定电流，Ii是内部的电流。加入负载之后的实际输出电流是Io。图2.2 实际恒流源模型 (2-1)根据（2-1）式画出的伏安特性曲线如下图 2.3 所示:图2.3 实际恒流源伏安特性曲线由图2.3可知，电流值不再和电压轴(X轴)平行，其斜率和电流源的等效内阻Rs有关。内阻Rs越大，斜率越小，U一I特性趋于水平。仅当Rs=,Io=Ii，才能算为一个理想的恒流源。2.2 传统恒流源在传统恒流源中，最简单的一种就是用一只恒流二极管。而在实际电路中，恒流二极管作为恒流器件的应用是非常少的，因为在电路中其恒流特性不是非常好，并且电流规格也很少，当然成本也很贵。在传统恒流源中除了有最简单的，当然也有其他最常用的，如图 2.4 所示，在这八种恒流源电路中，第一种：在电路中，由于引入了负反馈，使得输出电流为：。这种电路由于负载浮地，所以基本不使用；当然本系统输出电流为10A，这种电路也达不到大电流的要求；第二种：在电路中,引入了负反馈，使得负载电流与V成线性关系。负载电流为：,这种电路同样也达不到大电流的要求。这种电路由于负载RL是虚地的，所以基本不使用；第三种：由于电路引入了负反馈，使得输出电流为，这种电路可以输出大电流，可以满足本电路设计的要求，另外，由于负载浮地，但是负载的一端接正电源端，因此在电路设计中经常使用；第四种：这种属于正反馈平衡式。在电路中引入了负反馈，一个构成同相求和运算电路，另一个构成电压跟随器，输出电流为：。由于负载RL接地，这种电路也比较常用；第五种:扩大了恒流源电流的输出能力，其原理与第四种原理相同，在使用时，常常选取远大于负载RL的电阻R2，因此可以省略跟随运放；第六种是对地负载，这种电路也满足输出较大的电流；后面两种也是恒流源电路原理与上面分析相同。如果需要输出电流大，或者因为其生产厂商做工工艺不是一模一样的而可能导致三极管的c极电流和e极电流不相等，可以将三极管换成MOS管。 图2.4 恒流源原理图本课题是做一个高精度恒流源，为了能使电流精确的输出，在电路中增加一个运放，作为反馈，并且将三极管换成场效应管，因为使用场效应管可以避免三极管在不同的工作电流下所导致的误差。2.3 高精度恒流源的工作原理工作原理为：经过采样后，系统通过A/D完成模数转换，然后将设定的电流值与实际采样值进行比较，若二者有偏差，控制器通过D/A向恒流模块馈送偏差的电流值，使设定电流值与实际采样值的偏差接近为零，最后系统会输出精度非常高的电流。其原理如图 2.5 所示： 图2.5 高精度恒流源系统图2.4 恒流源的主要质量参数在电路中，恒流源输出的电流一般由输入电压、负载电阻和温度所表示，即 (2-2)在电流不变的情况下，输出电压的大小由负载电阻所决定，于是输出电流也可以表示为： (2-3)当Ui、Uo和T发生微小变化时，则输出电流的变化量表示为： (2-4)其中、这三个参数可以反映恒流源性能的优劣，现分别说明如下：1.稳流系数：Si 由公式（2-5）可知，稳流系数越小，则表明输入电压变化对输出电流变化的影响越小，也就是恒流源的性能越好。 (2-5)2.输出电阻：Ro由公式（2-6）可知恒流源的输出电阻Ro越大，则表明负载变化对输出电流变化的影响越小，也就是恒流源的性能越好。 (2-6)3电流温度系数I由公式（2-7）可知电流温度系数越小，温度变化对输出电流变化的影响越小，也就是恒流源的性能越好。 (2-7)2.5 本章小结本章介绍了传统恒流源设计方案与本课题的高精度恒流源设计方案，通过对比，本课题的设计方案具有以下三个方面的优势：一、本课题通过微控制器对恒流源进行控制，因为微控制器除了具有较高的性能和丰富的外设之外，还有具有较高的集成度和较低的成本。二、使用微控制器进行控制具有很高的灵活性，比如在不同量程之间的切换，完全由软件完成，而不需要硬件电路控制，并且通过软件处理还可以一些不必要的信号噪声的干扰。三、在人机交互方面通过软件可以设计得更人性化。综上所述，本方案的测量系统在后期维护和升级极方面非常方便，具有非常高的灵活性，可以降低产品的成本。93高精度恒流源系统的硬件设计与实现3.1 系统设计的整体框图在本系统中，一共有四个部分，即：供电电路、控制电路、基准电路、恒流电路，如图 3.1所示。实现高稳定度的大电流输出是研究的难点，也是本课题要研究的主要内容。在系统设计时，采用负反馈来提高大电流输出的控制灵敏度，进而实现高稳定度的恒流输出。在人机交互设计中，利用键盘实现电流微步进调节，液晶显示电流电压等参数。图3.1 系统总体设计框图3.2 硬件电路的设计及主要器件的选型从一开始对硬件电路进行设计时，就将系统的设计目标低定为可靠、高稳定度、简洁，并且从最初到结束都严格的按着要求执行。首先，对于系统来说可靠性是非常重要的，在设计时，对电路的所有环节都进行了电磁兼容性处理，其中包括做好各部分的接地、去耦、屏蔽、滤波以及PCB布线等工作，将控制电路与功率电路进行隔离，提高系统的可靠性以达到本设计的要求。高稳定度是提高系统性能的又一个指标，主要是从以下方式实现：(1) 将精密运算放大器设计为一个比较器，以实现了高稳定度电流的输出；(2) 使用了MOS管作为恒流器件，该恒流器件可以承受20A以上的电流，保证了系统电流的稳定输出。在系统满足了可靠、高稳定度的要求后，应该使电路设计尽量简洁，可以通过减少一些非必要的元器件，对电路进行简化，以达到减小电路板的面积，本课题在对各模块电路进行了详细分析后，合理设计元件的摆放、信号电路走线，使硬件电路的设计指标都基本达到了本课题的要求。3.2.1 主电路设计数模转换器 DAC 输出的模拟电压（0V5V）作为运放的基准电压来驱动设备。数模转换器 DAC的信号输出端的接入点为运放的反向端，运放反向端的给定电压为: （3-1）输出电流流经负载和采样电阻，通过采样电阻将电流馈送回主控制器，然后主控制器将设定的电流与实际输出的电流进行比较。如果二者有偏差，则主控制器将会把前一次输出值再次输入D/A转换器，其转换后输入到运放的反向端，以作出相应的调整，实现高稳定度的恒流输出。由于采样电阻上的信号非常小，所以本课题选择精密运算放大器 OPA2244 ，精密运算放大器拥有优良的小信号放大性能。速度非常快、功耗非常低、噪声非常小、带宽比较大、输入阻抗比较高、轨对轨输出特性等都是精密运放优点。它可以满足宽范围恒流源电路的设计要求。在实际应用中用其驱动多种负载效果很好，并且，OPA2244运放可以直接检测采样电阻的电流，可以通过负载、MOS管、采样电阻、数模转换器 DAC 等器件，实现从 010A 进行输出电流的调节，还可以连续输出 10A 大电流。其工作温度范围为-4585。 本系统选择两个 N 沟道的功率 MOSFET 管，它的额定电流可以达到 10A以上 。系统采用International Reetifier公司生产的IRF2807型MOSFET功率管。IRF2807具有13m欧导通电阻、功耗小、耐压达75V、最大直流电流82A、电流Id连续71A，满足系统连续大电流（额定电流10A）的要求。主电路结构如图 3.2 所示：图3.2 主电路设计图3.2.2 电源电路设计本系统在供电电路中采取两个电源分别供电，使大功率电路与小功率电路隔离，其目的是防止恒流电路对控制电路的影响，同时减小对输出的影响。本系统中电源稳压电路分别需要有+5V，+3.3V，+12V供电。+3.3V给单片机供电；+5V为液晶、D/A模块供电；+12V为运算放大电路供电。在整个系统中，所需要+5V供电电路的功耗较小，由于开关电源纹波比较大，为了降低电源的纹波，选择使用线性稳压电源。另外，在恒流电路上电流比较大，为提高整个系统工作稳定性，采用低压降电源稳压芯片，综上所述，本课题选用了ASM1117-5.0为各模块供电。ASM1117-5.0 是微功耗低压差线性电源芯片,使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。由于ASM1117系列稳压器具有良好的性能，本课题选用ASM1117-3.3为单片机供电。系统供电如图3.3 所示：图3.3 系统供电框图3.2.3 控制电路设计根据本课题对硬件的要求，选择STM32 作为处理器。STM32是32位处理器，它是基于ARM Cortex-M3 内核，具有丰富的外设以及良好的功耗控制，其性价比非常高。具体表现在STM32的价格非常便宜、功能极其强大、使用非常简单、开发非常方便等几个非常有利的优势。在应用上， STM32设计的比较方便的地方，例如，在下载程序方面，可以用串口下载器。 STM32F103RBT6控制电路的最小原理图设计如图 3.4 所示：图3.4 控制电路最小原理电路图3.2.4 D/A转换电路设计根据课题中对步进的要求，选择 12 位的 D/A TLV5616，因为 STM32 芯片中的 ADC 是串行 12 位的控制器，而TLV5616也是串行12位的芯片，在统一模拟电压和数字电压的等级要求上非常方便。TLV5616输出的模拟值如式（3-2）所示： (3-2)其中，VOUT是运放的基准电压；VREFIN 是D/A芯片的参考电压；N 为DAC寄存器中的12位数据；TLV5616 功耗较低、转换速率快、更新率高。它是12位的数模转换器。LTV5616采用16位串行串编程，其中包含4位控制位和12位的数据位。其供电范围在2.7V5.5V之间。很符合本系统的设计要求。其具体电路如图 3.5 所示：图3.5 D/A转换电路3.2.5 A/D采样电路设计根据课题中对精度的要求，本设计选择STM32内部的ADC。它是一个12位的数模转换器。主要用于采取Rs两端的电压和输入电压。采样电路设计如图 3.6 所示。图3.6 电流采样电路图3.2.6 基准电路设计在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源通常称为基准电压源或者电压参考。由于集成电路的快速发展，基准电压源在其应用中显得越来越重要，对它的要求也不断提高，这就是使得这些电路必须依赖它的发展而不断完善，在数字电路中也成了不可缺少的基本电路模块。 在众多的集成电路或电路单元中，都需要有一个精密而又非常稳定的基准电压源，例如，ADC、DAC、线性稳压器以及开关稳压器等。在数模转换器（ADC）中，芯片输出的模拟值依赖于基准电源，其输出公式为 (3-3)而在模数转换器（ADC）中，基准电源与模拟输入的信号共同作用，产生一系列数字化的输出信号，所以，选择一款温漂系数低、抗干扰能力强、噪声小的低成本基准电压芯片是十分重要的。理想的基准电压源是在输入电源和外部环境温度发生变化时电压保持稳定而不变，在电路中能提供稳定的电压。基准电压源是整个电路设计成败的关键，所以选择好一个基准电压是显得尤为重要的。在选择基准源的时候，需要考虑其精度的大小、电压的温漂系数、静态电流、长期工作的稳定性、噪声和成本等。本课题选择的 LM317 是三端可调分流基准电压源，而且具有良好的热稳定性。输出电压范围1.2V到37 V时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。基准精度可达 2.5V1%。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V37V，所以R2/R1的比值范围只能是028.6。具体电路如图 3.7 所示。图3.7 基准电压电路图3.2.7 按键电路设计本系统通过I/O控制16个按键，这些按键可以设置恒流源的量程，即通过按键可以改变输出电流的大小。其电路图如下：图3.8 按键电路图3.2.8 液晶显示电路设计在输出设备中，通常以发光二极管 LED 和液晶显示器 LCD作为显示器，本恒流源系统采用液晶LCD 作为系统的显示器件。本课题采用诺基亚5110作为液晶显示器，该LCD 具有84x48的点阵，可以显示字符、汉字和数字，其接口信号线数量加上电源和地总共有9条。工作模式可以选择背光或者不背光，在正常显示时，其工作电流非常小，体积也很小。液晶显示电路如图 3.9 所示。图3.9 液晶显示电路图3.2.9 CPU资源的分配D/A模块：PA1，PA2，PA9，PA10分别接D/A芯片的引脚DIN,SCLK,CS、FS；A/D模块：PA0键盘接口：PC6、PC7、PC8、PC9用于行线检测，PB12、PB13、PB14、PB15用于列线检测。液晶：PB3、PB4、PB5、PB6、PB7分别接液晶LCD的引脚CLK、Din、DC、CE、RST；3.2.10 系统散热本设计使用的MOS管工作在线性状态，因而其发热量比较大，为了保证它的结温在安全范围内，应该给它配备足够大的散热片，为了增加散热效果，应当给散热片增加主动散热风扇。散热片安装如下图 3.10 所示。图3.10 散热片安装3.2.11 采样电阻选择采样电阻的选取对本系统的精度至关重要，本系统恒流的本质是通过采样电阻两端的电压作为反馈来控制电流的恒定输出，因此一个品质好的采样电阻可以使系统精度更高。目前用量较广的采样电阻可以分为三类，第一类是贴片型陶瓷结构，阻值在10毫欧到1欧之间，精度有1%和5%两类，其最大功率为3W，温漂范围在100到600PPM；第二类是贴片型合金结构，阻值在0.5毫欧到200毫欧之间，精度有0.5%、1%、5%三类，最大功率为5W，温漂范围在15到50PPM；第三类是插件陶瓷型（带弹簧散热片），阻值范围在5毫欧到10K欧之间，精度有1%和5%两类，最大功率为100W，温漂最低为60PPM。对于较大的采样电阻，虽然利于对采样数据的分析，但是电阻的功率损耗也很大，本系统也不希望在采样电阻上有较大的功率损耗。对于较小的采样电阻，虽然可以减小其功耗，但不利于采样数据的准确分析，也会影响输出电流的稳定度。鉴于上面的分析，本课题所输出电流比较大，故选择阻值较小的采样电阻。综上所述，在选取采样电阻时，尽量选择温漂系数小、精度高的电阻，故本系统选择额定功率可达1W、温漂系数较低的贴片型合金结构来做采样电阻。在文中采用一个3m的贴片型合金结构电阻。其功率大小如（3-4）式计算所得： (3-4)3.3 本章小结本章介绍了高精度恒流源系统的各个模块，并对主要元器件进行了仔细的选型。另外，对系统散热也进行了改进，在电路方面，通过并联两个MOS管分流，减小单个MOS管的发热量；在散热片方面，选择了导热良好的散热片。194高精度恒流源系统的软件设计与实现4.1 系统软件设计高精度恒流源系统的恒流功能主要是由硬件配合软件来实现的。硬件电路的正常工作是处理器STM32通过软件部分的主程序来协调、配合各执行模块。硬件电路中各线路间的数据传输及处理都需要由软件来协助完成。本系统软件设计采用模块化方案，即各功能模块由软件主程序统一调用。软件总体结构如图 4.1所示。图4.1 软件总体结构图4.1.1 主程序处理在主程序中，主要处理按键扫描信息，数据传输，算法控制，显示设定电流值和实测电流值，电压信号采样与恒流精度调整等，使处理器能精准地对电流进行恒定控制。当主程序开始运行后，首先是对系统及各模块进行初始化操作，然后调用相应的功能子程序。扫面按键，将设定电流值显示在 LCD 上。与此同时，开启 ADC 进行转换，将转换后的实测电流值设定电流值进行比较，若二者有偏差，则主程序会将采样值馈送到 D/A 控制器，经恒流电路调整直至偏差接近为零。最后将实际电流值在 LCD 上显示。4.1.2 系统初始化处理 当程序开始执行时，首先是对系统初始化，系统初始化包括：系统时钟初始化和串口初始化，然后对GPIO、ADC、LCD、按键初始化。其初始化顺序如图 4.2 所示。图4.2 初始化流程图4.1.3 A/D子程序处理stm32f103rbt6 处理器进行系统初始化后，开始对A/D进行初始化，当A/D初始化完成后，A/D开始转换。具体步骤如下：1. 因为STM32F103RBT6的ADC通道0在端口PA0上，所以我们先要打开 PORTA的时钟，将端口PA0设置为模拟输入。；2. 在使能ADC1 时钟之后进行一次ADC1的复位，紧接着设置分频因子，但ADC1的时钟要在14MHz以内；3. 上面步骤完成后开始ADC1的模式配置；4. 设置ADC1 规则序列的相关信息；5. 开启AD转换器，并校准；6. 读取ADC转换之后的值。A/D转换工作流程如图 4.3 所示。图4.3 A/D转换工作流程图4.1.4 液晶显示子程序本系统采用 8448 的点阵 LCD 作为显示系统，它能同时显示设定电流值和实际电流值。液晶工作流程图如图 4.4 所示。图4.4 液晶显示子程序流程图4.1.5 键盘子程序在主程序中，对按键的扫描过程可以分为两个步骤：首先是 CPU 扫描是否键盘上有键按下；第二步是识别上哪一个键被按下。按键子程序处理如图4-2。1.CPU先使行线PC9为高，其余行线为低；2.CPU读入输入缓冲器的状态，以确定哪条列线为0状态，若此时PB15为1，则“K2”键按下；若PB14为1，则“K3”键按下；若PB13为1，则“K4”键按下；若PB12为1，则“K5”键按下；3.若输入缓冲器（列线）状态全部为0，说明PC9行没有键盘按下，CPU继续使PC8为1，其余行线为0，再读入输入缓冲器的状态，以确定哪条列线为1，从而判断是哪个键盘按下；4.当判断那个键盘按下后，程序转入相应的键盘处理程序。按键子程序处理如图 4.5 所示。图4.5 键盘子程序流程图4.2 PID算法介绍PID控制是一种包含比例、积分、微分控制方式的控制器，这种控制规律在实际中应用十分广泛。PID的特点有：稳定性好、运行可靠、结构简单、调整方便等，正是这些优势使得PID控制技术成为工业的主要控制技术之一。在实际中的设计中，对于控制对象往往不能准确得到其数学模型，无法掌握控制对象的结构和参数，在这种情况下系统控制的参数与结构就必须要依靠现场调试与人工经验来完成，此时应用PID算法最为适用。即使在不完全了解被控制对象的工作方式，或是无法利用某种途径来测量系统的参数时，往往也采用PID控制算法来整定输出。在实际的应用当中PID算法还可分为PD与PI控制技术。PID控制根据实际输出值和给定值之间的差值作为控制偏差，将比例（P）、积分（I）、微分（D）三个可调参数与偏差通过线性组合来线性地对被控对象进行调节的调节方式。其原理框图如下图所示：通常使用的是数字PID控制器，控制规律为： (4-1) (4-2)KP比例系数； TI积分时间常数；k采样序号，k = 0，1，2； r(k)第k次给定值；c(k)第k次实际输出值； u(k)第k次输出控制量；e(k)第k次偏差； e(k-1)第k-1次偏差；TD微分时间常数； T采样周期。一般说来，PID控制器的各个校正环节所起的作用有：比例控制环节P：比例控制是一种最为简便的控制方式，根据输出关系的偏差直接确定输出的增量，这种方式响应快，但仅存在比例控制时会使系统存在稳态误差。积分控制环节I：通过对系统偏差的积分作用达到消弱静差的目的，提高无差度。积分时间常数决定积分作用的强度，其值越小，积分作用越强，反之则越弱。微分控制环节D：主要用来改善系统的动态性能，对偏差的变化趋势进行提前响应，相当于增加一个早期的修正信号，是系统动作更加平稳，相应地减小调节时间，但微分参数值过大则会影响系统的抗干扰性，滞后调节时间。数字PID控制算法一般可分为增量式PI算法与位置式PD算法。4.2.1 位置式PID在位置式PID中，计算机输出的u (k) 是直接控制执行机构相应动作(如阀门)，u(k)的值与执行机构的位置(如阀门开度)是对应的，故通常称公式(4.2)为位置式PID控制算法。位置式PID算法的缺点是：全量输出导致每次输出量都会同先前的状态有关，在计算过程中会涉及到对先前偏差e(k)的累加，计算量比较大，与此同时，计算机的输出值对应着实际中的直接输出控制操作，在某些场合中计算机出现故障时，控制器输出的大幅度变化会直接导致被控制对象的大幅度变动，可能会直接导致产生比较严重的工业事故，造成经济大量损失。据此产生了增量式PID控制算法，增量式的输出不再是直接操作，而是很据前几次的偏差变量生成一个增量u(k)来控制系统变化。4.2.2 增量式PID在执行机构需要的是控制量的增量时，可通过式(4.2)推导得出提供增量的PID控制算式。由式(4.2)可推出式(4.3)，再由式(4.2)减去式(4.3)可得式(4.4)。 (4.3)(4.4)式中；公式(4.4)称之为增量式PID算法，在一般计算机控制系统中，当使用固定的采样周期T采样时，只要设定好KP、TI 、TD 三个参数后，计算得到三次测量值的偏差后，就可以通过式(4.4)来求出控制量的增量。增量式PID算法具有如下优点：（1）由算法控制输出控制量的增量来控制系统输出变化，误动作时影响更加小，并且可以通过增加逻辑判断来限制增量输出。（2）方便切换，在手动到自动相互转换的过程中，产生的冲击量更加小。除此之外，输出由于具有输出保持的锁存功能，使得在故障条件下依然能够保持原值输出。（3）控制算法不需要累加。增量u(k)的大小只与前K次采样值的数值有关，因而系统想要得到更加理想的控制效果可通过加权处理。但增量式PI算法也存在一定的缺陷：存在静态误差、积分截断效应大等。因此在实际使用过程中常选择带积分分离和死区方式来改善PID算法。4.2.3 PID参数整定PID参数整定就是调整KP,KI,KD这三个参数。目前PID参数整定有两种方法，第一种是通过理论计算对PID参数进行整定，这种方法主要是建立系统数学模型，然后来确定控制器参数。第二种是工程整定方法，这种方法主要是根据在工程中的经验来确定控制器参数。在本系统中采用第二种方法，这种方法易于掌握且方法简单，广泛的用在实际工程中。恒流源需要一个较高的精度，本系统设计了一个PI调节器，以便更好的控制MOS管的导通量，其原理是根据偏差的大小，将给定值与实际测量值的偏差分别进行比例运算和积分运算，然后把它们的和构成连续信号，来控制MOS管导通角的增大或者减小，使实际测量值趋近于给定值。 (4-5)4.3本章小结本章介绍了软件设计的部分，制作了系统总体软件设计流程图，同时就其中的初始化单元、A/D、D/A、液晶、键盘等模块做了详细的讲解。给出了PID算法的具体控制原理，以及PID参数如何整定。275 实验结果和分析在本系统中，硬件电路所用到的测试仪器如下表5.1：表5.1测试仪器设备序号名称型号数量1万用表VC8045-II12示波器DS1102E13数字电源APS3003S-3D15.1 系统硬件的调试在电路设计中，硬件电路如何正确调试是至关重要的，往往一个电路的性能以及参数正确与否都从调试中验证。在调试中需要分析在实际电路中出现的问题，并找到解决方案，最后还要提出系统的优化方案。本系统硬件调试的流程包括以下几个方面：1. 各个芯片的供电电源测试；2. 液晶显示测试；3. 键盘扫面测试；4. 基准电压测试；5. D/A输出测试；6运放输出测试；7. A/D采集测试；8. 主电路恒流测试。第一，需要测试的是芯片供电电压，包括+12V、+5V、+3.3V，在测试时，LM7812输出的电压是12.03V，LM7805输出的电压是5.02V，AMS1117-3.3输出的电压是3.28V，这些参数满足本系统中各个芯片的供电要求。第二，需要测试的是液晶能否正常显示，在测试时，液晶能正常显示，满足本系统所需要显示的内容。第三，需要测试的是能否检测到按键按下，经过多次测试，系统可以准确的检测到按键的状态，满足本系统人机交互的功能。第四，基准电压测试，基准芯片LM317供电是由LM7805供电，在调试中，输出的基准电压为1.569V，而输出基准电压波动范围为1.569-1.570V，对于本系统要求输出电流精度的影响非常小，可以忽略不计，满足本系统所需要的基准电压。第五，D/A转换器输出测试，在测试时，单片机能都控制D/A转换器的正确输出，满足本系统的要求。第六，运放输出的测试，运放LM358在电路中被设计为一个电压跟随器，输入信号是D/A转换器的输出，在测试时，输入等于输出；运放OPA2244在电路中被设计为一个电流采样反馈电路和一个采样电阻电压放大电路，在测试时，反馈电路正常工作，放大电路能正常放大，满足本系统的要求。第七，A/D转换器的采集测试，A/D的采样信号是运放OPA2244的放大电路产生的信号，经过单片机内部12位A/D将模拟信号转换成数字信号，在测试时，单片机内部A/D能准确的转换，满足本系统的A/D转换精度要求。第八，主电路的恒流测试可以分为纹波测试、稳定度测试和灵敏度测试。其测试结果与分析会在后面介绍。5.2 给定值与输出电流值的偏差测试与分析1.可以连续长时间输出10A的电流，达到设计要求；2.对于每一个给定电流，本系统对输出电流测试三次，并记录；3.取负载电阻RL = 2，给定电流值与输出电流值的偏差测试数据如表 5.2 所示（电流单位：A）。表5.2给定值与输出电流的偏差测试数据序号12345678910给定电流ID12345678910输出电流IL第一次11.999345678.001910.009第二次123455.999788.99910.010第三次123.00145678810.011IL平均值|ID-IL|ID1%+10ID0.1%+3从上表所测得数据可知，一些元器件受到温度的影响，会给系统带来一定的误差，但这些误差是可以通过优化电路来减小的。在此次的测试中为了尽量与实际相吻合，测试了三组数据，其测试结果表明输出电流的精度可达千分之一。用Graph软件绘出恒流源绝对误差，如上图所示。通过分析发现实际输出电流的绝对误差曲线处于最下方，满足本系统误差精度的要求。随着给定电流值逐渐变大时，恒流模块发热较大，引起输出电流误差增大。但是由以上数据可知，本课题所设计的恒流源系统输出的电流误差较小。5.3 恒流源纹波的测试与分析输出电流中所含高次谐波的交流分量称为纹波电流。在测试时，本系统给出了测量电流纹波的具体方法，就是通过万用表来测量采样电阻两端电压的大小，然后用公式（5-1）来计算出本系统的纹波电流大小。 (5-1)其中Irs表示纹波电流，Urs表示采样电阻的纹波电压，Rs表示采样电阻。本系统在测试时，取负载电阻RL=1，则测得的数据如表5-2所示 表5.2纹波电流测试数据负载电压12345678910输出电流11.999345678.001910.008|ID-IL|00.001000000.00100.002由上面数据可知，本系统的输出纹波电流较小，其范围保持在(0-2.0)mA之间。并通过对输入电源的滤波使得纹波特性比较理想，满足本系统对纹波的要求。5.4 恒流源稳定度的测试与分析在恒流源的所有性能指标中，输出电流稳定度是最重要的。通常有两种方法测量其稳定度，第一种是将数字万用表串联到输出回路中；第二种是用数字万用表测量负载电阻。在测试时，我们选择第一种方法，如图 5.4 所示，即在测量稳定度时，使用数字万用表来测量输出的电流值，每隔两分钟测试一次，总共三十分钟，下面稳定度的计算公式： (5-2)图5.4 电流稳定度测试接线图两个功率MOSFET并联工作时，取输出电流Io=10A，测量其稳定度的数据，如下表5.3所示：表5.3稳定度数据时间T（min）Io(A)110.002210.002310.002410.003510.002610.005710.007810.008910.0081010.0091110.0091210.0091310.0101410.0101510.010图5.4电流的稳定度趋势图根据公式5-2可以计算出：Io的稳定度=3.014 10-3 5.5 本章小结在系统误差分析时应从内部因素和外部因素考虑。内部因素包括微处理器的CPU工作频率和ADC的分辨率；采样电阻温度系数的大小和精度；基准电压的噪声大小和温度系数的高低。外部因素包括环境温度、输入电源电压的纹波大小以及由负载变化形成的负载短路等。因此想要提高恒流源的精密度和稳定度，就必须具体的分析电路的拓扑，慎重的选择元器件。这些都是改变恒流源性能的关键，往往一个好的恒流源在这些方面都具有一些好的处理方法。6 总结与展望6.1 系统总结恒流源是运放的典型应用电路，电路在设计方面无新颖的之处，本设计的难度是精度要求极高，保证精度的关键在于选用元器件以及PCB布局，否则很难达到这么高的精度指标。在本课题中，详细的介绍了电路以及控制算法。在电路方面，我们将最小系统、恒流电路等模块整合在一起，经过大量的测试，最后解决了它们互相之间的影响。在程序方面，我们使用C语言编程，利用 Keil SDK 这个开发工具调试程序，最终设计出一套稳定的程序。在这套程序中，我们结合环境温度调整散热风扇，使系统具有良好的散热性。当然，本课题在提高硬件电路的稳定性能的同时，在选择器件上都做了精心的筹划。另外，因测量时间有限与采样时间有限而引起的误差，这类误差很难消除，减小的办法就是延长测量时间。经过本次课题的研究，学会了怎样使用一些专业软件工具来处理相关的问题，如proteus软件对电路的仿真，Altium Designer软件设计电路板，Saleae Logic软件检测信号的时序，Keil SDK软件编写用户程序等等。当然，也让我看到了自身的不足，特别是在画电路图、算法等基础部分上还要努力。 6.2 系统展望本课题设计的高精度恒流源，可以实现连续 10A 大电流输出，同时输出电流稳定性、散热器均衡散热性能等表现较好，且制作成本低。展望未来，对于本课题所研究的高精度恒流源，在今后还可在如下几个方面做进一步的研究和提升：1、软件控制算法：可以考虑建立数学模型，使控制算法更高效；2、硬件传感器方面：对相关传感器的特性做进一步的试验，提高抗干扰的能力，能更好的与算法相结合；例如在电路中可以考虑使用霍尔传感器作为取样电阻得到的电信号在作为反馈信号的同时，还可以用作保护电路的控制信号；3、优化散热器设计：可以选择导热性能和散热性能良好的散热片。 36参考文献1. 黄 辰.基于ARM的现场动平衡检测系统研究.成都：西南交通大学，2008 2. 赵玲.20A大功率恒流驱动器的设计与实现.吉林：吉林大学，20123. 吴光宇. 基于ARM的程控直流恒流源设计.苏州：苏州大学，20144. 汪雨凌.20A恒流源系统实验研究与设计.吉林：吉林大学，20065. 马天翔. 50A大功率脉冲恒流源技术研究与实现. 吉林：吉林大学，20126. 季浚涛.基于LM3S8962的简易恒流电子负载.南通大学学报，20127. 穆云田.基于单片机控制的直流恒流源的设计.河北：河北工业大学，20078. 汪显俊. 可编程大功率恒流源的研究.天津：天津工业大学，20109. 赵娟.大功率恒流源取样电阻设计.强激光与离子束，201210. 张国华.高精度恒流源电路设计.Electronics DIY，200111. 姜洪雨.一种新型高精度高温度稳定性恒流源研究.现代电子技术，200812. 陈凯良，竺树声.恒流源及其应用电路.浙江科学技术出版社，199213. 黄忠慧.精密直流恒流源开发.Mechanical & Engineering Magzine ，200614. 谭浩强.C程序设计.第四版.北京：清华大学出版社，201015. 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