数控电源的模块化设计.doc

数控电源的模块化设计Modular Design of Digital Power Supply谢健华，任毅，李文峰，张欣龙，袁臣虎，天津工业大学信息学院（300160，天津）Xie Jianhua, Ren Yi, Li Wenfeng, Zhang Xinlong, Yuan ChenhuSchool of Information and Communication Engineering, Tianjin Polytechnic University(300160, Tianjing)摘要：本文采用凌阳16位单片机SPCE061A完成了数控电源的模块化设计，实现了电源输出电压的设定、输出电压步进调整、输出电压和输出电流的显示以及输入欠压保护等功能。本文设计的数控电源由模拟部分和数控部分组成。模拟部分是由KA3525芯片为核心的半桥功率变换器、整流滤波电路、稳压电路、滤波电路等组成。数控部分采用凌阳16位单片机SPCE061A，实现了输入对半桥单级逆变电路的PWM波的产生。采用44的矩阵键盘实现输出电压设定和步进调整，采用A/D和D/A转换技术对输出电压进行设定和采样，采用RT12864液晶显示器对电源输出电压、输出电流和相关控制以及状态信息进行显示。关键词：数控电源 模块化 凌阳单片机 RT12864液晶显示Abstract: The paper adopts the Sunplus 16-bit single chip processor SPCE061A to complete the modular design of digital power supply, and to realize funcions such as the setting of out-put voltage, the output voltage step adjustment, the display of output voltage and output current and the proctecion of input under-voltage, etc. The digital power supply designed includes analog part and digital part.The analog part is composed of half-bridge power converter with the chip KA3525 as its core, rectifier-filter circuit, voltage-stabilizing circuit, and filter circuit, etc. The digital part adopts the 16-bit single chip processor SPCE061A to realize the PWM wave which is from input to the half-bridge unipolar inverter circuit. The application of 4*4 matrix keyboard results in the setting of output voltage and step adjustment; the use of A/D and D/A converting technology leads to the setting and sampling of output voltage; the application of RT12864 LCD shows output voltage, output current, related control and other information. Keywords: Digital power supply, Modulization, Sunplus single chip microcomputer, RT12864, RT12864 LCD中图分类号TN86 文献标识码 A 文章编号：1561-0349（2010）11-1 前言在生活和教学实验中，用到的电源多种多样，但是，目前的电源普遍存在整体调试复杂和电源的各个功能组成部件寿命长短不一的问题，使整体的调试操作难度较大。同时，存在着由于电源系统的某个功能部件磨损老化而造成整体弃用的浪费现象。针对上述问题，本文提出了一种模块化的数控电源设计方案。此系统采用KA3525控制芯片和凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心，实现了基于单片机的数控电源模块化设计，将整个电源系统分为若干个独立的功能模块，对各个功能模块独立设计、独立调试，然后把各个功能模块进行连接，最后实现整体统一调试。模块化的意义在于电路调试简单，便于故障排查，便于协作，可加快调试进程，提高工作效率，对老化或者损坏的部分进行单独更换达到减少器件浪费、节约资源、保护环境的目的。2 系统方案的设计总体本方案的总体设计框图如图1所示。系统具体包括控制器模块、电源模块、辅助电源模块、负载模块和键盘显示模块等。各个功能模块都设置必要的接口，可独立设计，独立调试，最后通过接口连接成一个统一系统，统一调试即可实现数控电源的模块化设计。 3 各个关键单元电路的设计本数控电源系统包括数控设计部分和模拟电源设计部分。数控部分采用单片机实现对输出电压和输出电流设定，实现输出电压和输出电流步进调整，实现输出电压和输出电流以及故障信息的显示；模拟电源部分采用开关电源技术。系统的总体电路原理如图2所示。图2 数控电源系统的电路原理图图中二极管改为空心通直线，电容改为平行直线，删除+号，符号改为斜体，脚注为小写正体3.1模拟电源部分本部分电路主要包括：整流滤波电路、EMI滤波电路、功率变换电路、驱动电路、输出电路、稳压电路、辅助电源电路以及过流保护电路等。下面分别说明各个电路模块。3.1.1整流滤波电路如图3所示，这是一个桥式整流电路。电容C15、C16的作用是分别用于滤除整流后的高频成分和低频成分。图3 整流滤波电路图中二极管改为空心通直线，电容改为平行直线，删除+号，符号改为斜体，脚注为小写正体3.1.2 EMI滤波电路电路如图4所示。该电路包括两个输入和输出端以及一个接地端。F11是快速保险丝， L1-1、L1-2是共模电感， C11、C12、C13、C14都是滤波电容。L1-1、L1-2对差模干扰不起作用，但是它能够对共模信号产生较大的感抗。电容C11、C12、用于抑制差模干扰，C13、C14通过分压接地后能抑制共模干扰。图4 EMI滤波电路符号改为斜体，脚注为小写正体3.1.3半桥功率变换电路 KA3525芯片输出的两列方波，可以通过控制两个MOS管的导通和关断来调节电压。这种半桥DC/DC变换器的控制方法是，采用PWM技术同时开通或关断斜对角的一对功率管，使其处于硬开关状态，通过改变变压器副边输出电压的占空比来调整输出电压大小。功率管在电压不为零时开通和电流不为零时关断。图5 功率变换电路符号改为斜体，脚注为小写正体3.1.4 电源的驱动电路KA3525控制器为单片机提供了丰富的连接点，控制器的2脚是一个控制PWM波占空比的引脚。给2脚的电压越高，KA3525输出的PWM波占空比就越大，开关管导通时间就越长，稳压源输出的电压就越高。因此，控制好2引脚的电压就可以调节稳压源的输出电压。图6 脉宽调制电路上图中二极管改为空心通直线，电容改为平行直线，符号改为斜体，脚注为小写正体KA3525的2脚所需电压为5V，但SPCE061A单片机DA转换器提供的参考电压只有3.3V，因此需要接上一级放大电路，如图7所示。这是一个由LM358构成的放大电路，放大倍数A为 。图7 DAC放大电路符号改为斜体，脚注为小写正体3.1.5辅助电源电路因为单片机和KA3525芯片分别需要5V和15V的直流电压，所以要为它提供一个辅助电源。本电路的辅助电源输出采用的是三端稳压器7805和7815，来实现5V和15V的电压输出，电路如图8所示。图8 辅助电源电路图中二极管改为空心通直线，电容改为平行直线，删除+号，符号改为斜体，脚注为小写正体3.1.6电源输出电路L4的作用是使电流波形变得平滑，而电容可起到稳压的作用。C42的作用是低频滤波，C43的作用是高频滤波，如图9所示。输出经过三处采样，输出电压经采样电阻采样调整后输入KA3525的1引脚，与单片机设定的KA3525的2引脚电压比较，稳定输出电压。当输出电压变高时，则采样电压大于2脚所给定的电压值，KA3525输出的脉宽就变窄，反之则变宽。其余两处分别连接电压跟随器，跟随器的输出端接到单片机AD输入端，由LCD显示电压值和电流值。图9 LC滤波电路图中二极管改为空心通直线，电容改为平行直线，删除+号，符号改为斜体，脚注为小写正体3.2数控部分3.2.1 SPCE061A用作控制和RT12864用作显示 数控部分采用凌阳SPCE061A进行控制，此单片机是具有强大功能的16位微控制器，它包括输入/输出端口、定时器/计数器、模/数转换、数/模转换、通用异步串行接口、串行设备输入输出以及复位等多个部件。其内部集成有两个10位D/A和7路10位A/D，可用于电流测量的数据采集和数字控制输出。RT12864用于显示数值，把SPCE061A的IOB0IOB7数据口与LCD的DB0DB7连接，其中IOB8是RS，IOB9是R/W，IOB10是E，IOB11是RST。连接如图9所示： 图10 SPCE061与RT12864连接图3.2.2.采用44矩阵式非编码键盘作输入本设计采用的输入键盘是44矩阵式非编码键盘，共有16 个按键。本系统采用凌阳12864点阵式SPLC501液晶显示模块，这种显示方式直观，点阵式LCD显示的内容灵活，可同时看到汉字提示和电流值。单片机的IOA8IOA11作为行扫描输出口，IOA12IOA15作为列扫描输入口。具体连接方式如图10所示：图11 44矩阵式非编码键盘3.2.3. 采用KA3525控制器 KA3525控制器为单片机提供了丰富的连接点，控制器的2脚是一个控制PWM波占空比的引脚，当给2引脚的电压越高，KA3525输出的PWM波占空比就越大。因此，开关管导通时间就会越长，稳压源输出的电压就会越高。所以，当要调节稳压源输出电压时，只要控制好2引脚的电压就可以了。4 结束语在完成对各个功能部件的单独调试后，将它们连接成为一个完整的电源系统，然后进行系统的整体统一调试。本系统结构简单，设计思路清晰，基本完成了设计的要求。本系统以凌阳16位单片机为控制核心，包括开关型稳压降压电路和单相全桥逆变电路，由单片机输出PWM波来控制电路输出正弦波，实现了电源输出电压设定、输出电压步进调整、输出电压和输出电流的显示以及输出过流保护等功能，具有较高的精度和稳定性。系统达到了设计的预期要求，各个功能部件相互独立，可在某个部件老化或者损坏的时候对其进行单独更换，达到了避免整体系统丢弃、减少器件浪费、节约资源、保护环境的目的，总体效果良好。参考文献1曾波. 数控恒流源J.单片机与可编程器件,2002(9):33234.2尉广军,朱宇虹.几种恒流源电路的设计J.电子与自动化,2000(1):45 - 46.3郭继昌,李香萍,张宏涛. 基于单片机控制的恒流源设计J.电子测量与仪器学报,2000 (12):59 - 63.4SARKAR B C,NANDI M,CHATTOPADH YA YS.New wide2range fast acting frequency track