王益明—数控直流电流源

F题：数控直流电流源摘要本设计采用了以大功率三端稳压器78P05和单片机为核心的稳压电源的设计方案。在设计中采用了单片机闭环控制、PID算法、DC-DC变换技术，使纹波、精度、步进、稳定度的性能指标达到了题目的要求。关键词：电流源，数控，三端稳压器设计任务 设计、制作数控直流电流源。输入交流200240V，50Hz；输出直流电流电压10V。一、 设计技术指标1、 基本要求(1)、输出电流范围：200mA2000mA；(2)、可设置、显示输出电流给定值。要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1%+10mA；(3)、具有+/-步进调整功能，步进10mA;(4)、改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值1%+10mA;(5)、纹波电流2mA;(6)、电源自制。2、 发挥部分(1)、输出电流范围为20mA2000mA,步进1mA;(2)、设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时显示电流的给定值和实测值），测量误差的绝对值测量值的0.1%+3个字；(3)、改变负载电阻，输出电流在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1%+1mA;(4)、纹波电流0.2mA;(5)、其他。二、 方案设计分析电流源的设计通常用镜向电流源、开关电源和集成运放反馈型恒流几种。方案一：镜像电流源方案。该方案利用参数完全对称的晶体管或者CMOS管获得稳定的电流，因为输出电流过小，用改进后的比例电流源。原理如下： Re1=Re2，两管输入有对称性，所以：图1 镜像电流源及其等效电路如果Io与IR接近，或IR较大，则VBE可忽略。 即只要合理选择两T射极电阻的比例，可得合适的Io、Ro。优点: 输出电流稳定，温度稳定度高，输出电阻大。缺点：输出电流受电源的影响很大，且输出电流较小，不能满足题目对大电流（最大输出2A）的要求。 方案二：直接开关电源方案。该方案用220V交流电经整流、滤波后输出，开关管再采用PWM方式控制后，输出电流的纹波电压可以满足基本要求。优点：电路简单，控制方便（有的单片机带有PWM输出）。缺点：纹波不易控制，且高速的PWM控制会对进行系统控制的单片机系统产生很强的电磁干扰。故在此不予采纳。方案三：线性稳压器加单片机控制方案。该方案用三端稳压器7805稳定输出电压，DA输出控制输出电压；在输出部分用采样电阻测量输出电流值，反馈给单片机，经处理后的数据输入DA,从而形成了闭环控制，改善了系统的稳定性。优点：纹波小；闭环控制提高精度与稳定度并使电流精确可控。缺点:效率不高；电路较复杂；高速、高精度的AD、DA成本较高。方案四：集成运放反馈型恒流源。该方案利用运放工作在深度负反馈状态时的稳定性进行稳压。其缺点是输出电流受电源影响很大，基准电压、放大器零点漂移和噪声电压以及采样电阻的温度系数都会影响系统的精度。优点：实现方便，电路简单。缺点：对运放和电路其他元件的要求苛刻。综合考虑，舍弃方案一、方案二采用方案三。三、 详细设计1、 电路子系统设计（1）、稳流电路的设计该部分的电路设计如下：电路核心为大功率三端稳压器78P05,该器件的技术参数如下：78P05的接地端连接DA的输入，利用DA的输出电压控制输出：当DA输出为-5V时，78P05输出0V;当DA输出为5V时，78P05输出电压约为10V。通过A/D采集用康铜丝制作的小值采样电阻两端的电压，经PID整定后形成反馈，调节采样电阻两端的电压值即可获得预期电流。输出电流计算公式为：，（为采样电阻两端电压）设计输出电流为2A时78P05输出端电压为10 V。理论上，当输出端电压在010V变化时，输出电流在02A变化。（2）、AD采集电路的设计该部分的电路设计如下：AD采集电路主要影响系统的精度。经计算AD转换芯片采用 AD公司的AD7892-2芯片。该芯片分辨率高、转换时间快、功耗低，其主要技术指标如下：电源电压：单电源+5V供电分辨率： 12位转换时间：1.47微秒未经调整误差：+1LSB模拟电压输入范围：02.5V功耗：1.25mW在Vo变化范围为010V时，精度可以达到0.48828mA。（3）、DA转换电路的设计该部分的电路设计如下：DA转换芯片采用AD公司的AD565AJ。该芯片，主要技术指标如下：电源电压：VCC,+11.4+16.5V;VEE,-11.4-16.5V分辨率： 12位满量程误差：+1/4LSB+1/2LSB功率功耗：180mW在满量程10V时，步进电压为2.0441mV，对应每一步电流为0.4883mV，可以满足1mA步进的要求。（4）、61最小系统凌阳十六位单片机是一款具有很强数字处理能力的16位单片机。有两个16位的I/O借口，易于系统扩展。利用其较强的浮点运算能力可以达到很快的数据处理速度，从而实现系统快速的稳定。（5）、液晶显示电路中文液晶显示模块LCMxxZK 的字型ROM 内含8192 个16*16 点中文字型和128 个16*8 半宽的字母符号字型。采用8并行输入，3个控制口和一个片选信号CS。占用了61单片机的A口。可以方便的显示汉字，便于使用和控制。（6）、键盘及LED显示模块本模块用ZLG7289芯片进行控制，ZLG7289B 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，可直接驱动8 位共阴式数码管，同时还可以扫描管理多达64 只按键。ZLG7289B 内部含有显示译码器，可直接接受BCD 码或16 进制码，并同时具有2 种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐闪烁左移右移段寻址等。ZLG7289B 采用SPI 串行总线与微控制器接口，仅占用四根I/O 口线。（7）、电源供电采用3路供电，用两个继电器进行切换，提高效率。在控制继电器时设计了一接口电路以保证单片机输出能驱动继电器工作。在给需要小功率的片子供电时，采用5V基准供电，在需要15V供电时用DC-DC变换模块升压，该设计使得供电方案简单、电源接口简单。2、 系统设计见附图13、 系统全图件附图24、 软件设计总程序流程图设计如下：初始化各端口PID算法，稳定输出稳定否？NY时实显示电流值，语音播放电流值检测输出输出值与设定值是否相等NY以下是各部分程序的设计:(1) 键盘程序。该部分程序采用中断的方法，在有按键按下时即向61单片机发送中断信息。单片机调用中断子程序，接受键盘输入的设定值。(2) AD-DA程序设计。程序很简单，在此不再详细描述。其流程图如下： (3) 实现PID算法的程序设计。PID 控制是最早发展起来的控制策略之一。由于具有原理简单、使用方便、鲁棒性强、适应性广等优点，而成为控制系统中最基本的控制方法之一。该算法设计的优劣成为影响本闭环控制系统性能指标的追重要的因素。故本部分成为程序设计的核心内容。返回开始计算Ek= I S -I kI k = I k-1，I k-1= I k-2Ek5Ma?Y计算本次DA的输出值$I k=0N取EK- 1和EK- 2计算Iq= Iq- 1+$I k输出液晶显示计算Kp (EK - EK- 1)、K I*EK计算$I k计算KD (EK-EK- 1)计算KD (EK- 1 -EK- 2)其原理是单片机经AD 芯片读出实际输出电流I k , 然后和设定电流I S 相比较, 得出差值Ek= I S -I k , 单片机根据Ek 的正负大小, 调用PID 公式, 计算出本次电流调节的增量$I k , 然后根据前一次DA芯片输出电流Iq- 1, 计算出本次电流输出I q。离散增量PID 的计算公式为$Ik = Kp (EK - EK- 1) + K I*EK +KD (EK- 2EK- 1 + EK- 2) =K P (EK - EK- 1) + K IEK +K D (EK- 2EK- 1 + EK- 2)式中: K I= K P* K IK D= K P* KDEK 为本次采样时刻的电流误差, EK- 1为上次采样电流误差, EK- 2为再上次采样电流误差值。比例系数K P 对系统的影响K p 加大, 使系统的动作灵敏,速度加快, 稳定误差减小; K p 偏大, 振荡次数加多, 调节时间加长; K P 太大时, 系统会趋于不稳定; K P 太小, 又会使系统的动作缓慢。积分系数K I 对系统的影响积分作用使系统的稳定性下降, K I 小, 积分作用强, 会使系统不稳定, 但能消除稳态误差, 提高系统的控制精度。微分系数KD 对系统的影响微分作用可以改善动态特性, KD 偏大时, 超调量较大, 调节时间较短; KD 偏小时, 超调量也较大, 调节时间也较长;只有KD 合适, 才能使超调量较小, 减短调节时间。根据实验结果, 确定K P = 0.170, K I= 0.140,KD= 0.950。四、 系统测试1、 测试仪器电流表电压表示波器2、 测试方法(1)、在规定范围内输入电压，并预置输出电流，用电流表测负载端得出输出电流最大输出范围为40mA2A。(2)、用键盘设置步进+，在采样电阻上测量电压，算出电流步进5mA；用键盘设置步进-，在采样电阻上测量电压，算出电流步进5mA。次数12345预置电流50mA100 mA500 mA1000 mA2000 mA输出电流(3)、用键盘设置电流，实际输出电流用在采样电阻上测得电压换算而得，设定值在LED上显示。设定几个电流值，记录预置值和实际输出值的数据如下：(4)、接入负载，改变负载大小，记录电流值如下：次数123负载01 3.3 输出电流(5)、用低频毫伏表测量输出纹波电压，得纹波电压（峰-峰值）0.2mV。3、 测试结果分析在规定的范围输入电压（200240V），输出电流范围可以满足题目要求；能实现步进功能，步进时电流变化在题目基本要求上有所扩展；在负载变化时输出电流可以达到基本要求；纹波电压0.2Mv达到了题目的扩展要求。五、 误差分析本设计中，误差主要来源于DA、AD的输出和采样精度，采样电阻的温度系数也会影响系统精度。六、 参考书目1、 阎石主编：数字电子技术基础（第四版），北京，高等教育出版社，1997年