【精品论文】直流电机负载下的开关电源控制问题研究.doc

本科毕业设计题 目直流电机负载下的开关电源控制问题研究学 院自动化学院专 业电气工程与自动化班 级学 号学生姓名指导教师完成日期杭州电子科技大学本科毕业设计摘要本课题主要研究一种能适于反电势负载的AC/DC开关电源的控制方法。虽然开关电源技术发展迅速，但是针对开关电源给电机类负载的供电问题，国内外暂无有效的解决方案。因为电动机的起动、制动电流往往高过其额定值的许多倍，使得开关电源给相应功率的电机类负载供电时常因过电流保护关机而无法工作、或需要大幅降额使用而造成极大浪费。为解决以上问题，探讨一种适于直流电动机负载的新型开关电源系统方案。本文首先提出系统的总体方案，对其可行性进行了分析，然后建立了该系统对象的数学模型，研究综合控制算法，其中电压环（AVR）采用ID调节器整定成典型型系统，电流环（ACR）采用PI调节器整定成典型型系统，再用Matlab仿真分析，并与传统的稳压控制进行比较，系统仿真得到了较好的电压、电流波形曲线，实现了最大动态电流的约束控制和稳压控制的目的，最后设计电源控制器，包括电源控制器的总体结构框图，硬件电路设计和程序设计。电源控制器硬件电路采用单片机进行控制，单片机选用ADC812，采用基于串行通信的ZLG7290芯片作为LED数码管与按键的人机界面接口电路，本设计采用4个按键和3个LED。关键词：直流电机；开关电源；电源控制器；ADC812ABSTRACTThe paper focuses on Study for a kind of back-EMF load of AC / DC switching power supply control method.Although the rapid development of switching power supply technology, for switching power supply to the electric power load category, there are no effective solution at home and abroad. Because the start-up, brake current of motor are often many times higher than its rating, the switching power supply always unable to work for shutdown of over-current protection when power supply to the corresponding power motor type load, or need to significantly reduced the amount of use so as to caused a great waste and . To solve the above problem, investigate a new type of switching power supply system for DC motor load.In this paper, propose overall proposal of the system first, analysis of its feasibility, and then establish the object mathematical model of the system, research integrated control algorithm, automatic voltage regulator (AVR) use regulator of ID to Setting the system to Typicalsystem, automatic current regulator (ACR) regulator of PI to Setting the system to Typicalsystem, use MATLAB to simulation and analysis, comparison with the traditional voltage regulator control, we get nice wave curve of voltage and current, reached the purpose of the maximum dynamic current control and Voltage stability control ,finally, design the power supply controllers, including the design of the overall structure of power supply controllers, hardware circuit and program.The hardware circuit of power supply controllers uses single-chip to control, the single-chip selected ADC812, Use ZLG7290 which based on serial communication for man-machine interface circuit of LED digital tube and button, this design uses four buttons and three LED digital tubes.Key words：DC Motor；Switching Power Supply；Power Supply Controllers ；ADC812目录摘要ABSTRACT1 前言.12 总体方案及其可行性分析.43 系统建模、控制算法及仿真分析.63.1 对象建模.63.2 综合控制算法研究.93.2.1 电压调节器（AVR）的设计.113.2.2 电流调节器（ACR）的设计.123.3 系统仿真分析.13 3.3.1 仿真参数计算.13 3.3.2 系统仿真及结果分析.144 电源控制器的技术实现.174.1 电源控制器的总体结构框图.174.2 电源控制器的设计.17 4.2.1 硬件电路设计.17 4.2.2 程序设计.235 总结.30致谢.31参考文献.32附录 电源控制器硬件电路图.331 前言现实生活中常用的电源，可以分为发出电能的电源和变换电能的电源两大类。自然界并没有可以直接利用的电源，人类所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转化而来的。这种把其他能源通过转换而得到的电源称为发出电能的电源，像发电机、电池等。在很多情况下，发出电能的电源并不符合使用的要求，需进行再一次变换，这种变换是把一种形态的电能转换成另一种形态的电能，像变压器、变频器等。我们把输入和输出都是电能的电源称之为变换电能的电源。开关电源就是属于变换电能的电源，此种电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源1,2。开关电源的前身是线性稳压电源3,4。在我们生活中，大多数电子装置、电气控制设备的工作电源是直流电源。在开关电源出现之前,这些装置的工作电源都采用线性稳压电源。随着计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越大，体积却越来越小。因此,迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源来取代体积庞大的线性稳压电源，这就成了开关电源技术发展的动力。由于开关电源在绝大多数性能指标上都有很大优势，其具有体积小、重量轻、效率高、性能好等优点，因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已全面取代了线性稳压电源。目前国际上开关电源的发展方向为：高频、高密度化、低压、大电流和多元化等。综上所述，同时具备三个条件的电源可以称之为开关电源。这三个条件就是：开关（电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态）、高频（电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频）和直流（电源输出是直流而不是交流）。直流电机专用伺服驱动电源，已不仅仅是传统意义上的开关电源，它直接参与了直流电机的控制工作，其特有的微机接口控制和上电时序控制功能尤其适合直流电机驱动系统，相对传统的通用型大功率电源有着明显的技术优势，其多功能的技术特点，符合电机驱动电源系统的发展方向4,5。开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展而发展的，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻小、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源按其拓扑结构可分为AC /DC和DC /DC两大类6。DC /DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，已得到广大用户的认可；但AC /DC变换器因其自身特性，使得模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。DC /DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称直流斩波7。其工作方式有两种，一是脉宽调制（PWM）方式；二是频率调制（PFM）方式。具体电路有BUCK电路降压电路，BOOST升压电路，BUCKBOOST电路升降压电路，CUK电路升降压电路。AC /DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的。功率流由电流源流向负载的称为“可控整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC /DC变换器输入为50 /60 Hz的交流电，所以，整流滤波时需要体积较大的滤波电容器。另外，整流器电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合。因此，虽然输入交流电压为正弦波，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状。交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC /DC电源体积的小型化；同时，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度电路设计提出了很高的要求，从而也限制了AC /DC变换的模块化。开关电源由功率级和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数、外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的输出电压或者电流保持恒定。因此，在开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说是十分重要的。采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果。开关电源按照检测信号的不同来分类可以分为单环控制和双环控制8。恒压源单环控制主要是电压型控制；双环控制则有电流型、V型等几种控制方式。随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模糊控制、滑模变结构控制等非线性控制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。虽然这些控制方法到目前没有得到广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用前景可观。早期文献中Duty Cycle Control（Duty Ratio Programmed Control）都是特指的电压型控制9。在电流型控制方法出现之后，才明确提出了Voltage Mode Control的说法。电压型控制方法只检测输出电压一个变量，因而只有一个控制环，所以设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。其主要缺点是输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。电流型控制（Current Mode Control）又称为Current Injection（或 Injected） Control 或者Current Programmed Control，1978年首次提出10。电流型控制同时引入电容电压和电感电流2个状态变量作为控制变量，提高了开关电源PWM控制策略的性能。电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为PWM比较器的一个输入信号。由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电压型控制方法有更快的负载或输入瞬态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在占空比大于50%时要产生谐波振荡，从而产生稳定性问题。这通常可在比较器输入端使用一个补偿斜坡来消除。由于V型控制方法（V Squared Control 或VControl）具有优秀的动态性能，适用于电压调整模块（Voltage Regulator Modular，VRM）等对动态特性要求比较高的场合11,12。V控制方法与电流型控制方法的区别在于：V控制方法用滤波电容电压采样代替了电流型控制方法中PWM 比较器的电流采样输入。输出电压反馈回来作为2个控制环的反馈量。传统的电流型控制事实上是控制电感电流。当使用Buck变换器时，若电感在输出部分，则电流型控制是非常有效的。但是对于反激变换器和boost变换器拓扑，电感不在输出部分,电流型控制的许多优点体现不出来。V控制方法由于内环检测点在输出部分，提高了Buck 变换器和正激变换器对输入和输出静态和动态变化的响应速度，解决了电流型控制方法存在的问题。V控制方法由于内环采用反馈输出电压的纹波，因而与电流型控制方法一样，抗干扰能力差。当占空比大于50% 时，会产生次谐波振荡，所以也要使用斜坡补偿。V控制方法可与普通的控制方法如定频、定开通时间和滞环控制配合使用以提高系统的响应速度。在使用定关断时间的V控制方法时可免于使用斜坡补偿。V控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需要额外的电路来进行过流保护。开关电源控制电路的设计在满足性能要求的前提下还要考虑成本、可靠性以及调试简单等多种因素。通常，单环控制电路结构简单，抗干扰能力强，适用于对控制性能要求不高的场合；双环控制动态性能好，对输入电压扰动的抵抗能力提高。电压型控制响应速度比较慢，需要额外的电路来限制输出电流。电流型控制响应速度快，动态特性改善，系统稳定性强，并且具有自动限流的功能；V型控制具有比电流型更快的负载动态响应，系统稳定性更好；现代模糊控制和滑模变结构控制等控制方法具有优越的控制性能，但是还处于理论研究阶段。虽然开关电源技术发展迅速，但是针对开关电源给电机类负载的供电问题，国内外暂无有效的解决方案。因为电动机的起动、制动电流往往高过其额定值的许多倍，使得开关电源给相应功率的电机类负载供电时常因过电流保护关机而无法工作、或需要大幅降额使用而造成极大浪费。为解决以上问题，本文探讨一种适于直流电动机负载的新型开关电源系统方案。2 总体方案及其可行性分析本课题主要研究一种能适于反电势负载的AC/DC开关电源的控制方法。为此需要设计一个“综合控制器”来控制带反电势负载的AC/DC开关电源，该“综合控制器”不仅起到对输出电压的稳压控制作用，而且还要实现对最大动态电流与功率的约束控制。从而解决开关电源因电动机起动、制动时电流过高而无法工作的问题，使得开关电源能给电机负载实施安全、连续、可靠的供电。系统总体方案如图2-1。图2-1 系统总体方案框图图2-1中TA为电流传感器；M为直流电动机；检测电路检测电流和电压；“PWM”产生基于PWM方式的开关量控制信号；“综合控制器”包括电压调节器和电流调节器，电压调节器作为内环，电流调节器作为外环。当电机起、制动时，由电流环进行最大电流限制，稳定运行时，电流环饱和，由电压环进行稳压控制。这样就实现了控制目的。根据总体方案，建立该系统对象的数学模型，研究综合控制方法，并进行MATLAB仿真分析，设计电源控制器，包括硬件电路设计和程序设计。该课题研究采用的步骤主要有： （1）总体方案及其可行性分析，有该开关电源系统的总体方案框图，并对其各部分进行解释，对该方案可行性进行分析。（2）系统对象建模,根据原理框图建立各模块的模型，画出结构图、模型框图，对传递函数，模型框图进行化简、变换以利于分析。（3） 综合控制算法研究,包括电压调节器（AVR）的设计和电流调节器（ACR）的设计，可按照工程整定法进行整定，得到调节器的参数，用MATLAB仿真分析以验证控制算法的可行性。（4）设计电源控制器，包括电源控制器的总体结构框图，由前面得到的参数设计电源控制器的硬件电路，采用单片机进行控制，进行软件程序设计。计划选用单片机型号ADC812，该单片机速度快，功能强，集成了个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统。ZLG7290用于扩展键盘和LED显示器，其特点为：IC串行接口，可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键，本文采用3个LED和4个按键。（5）总结，对所作的研究做一个总结。3 系统建模、控制算法及仿真分析3.1 对象建模新型开关电源的基本控制回路框图如图3-1所示。图3-1 新型开关电源基本控制回路框图(1) PWM环节的建模PWM装置可看作一个滞后环节，其传递函数可以写成 (3-1) 式中 PWM装置的放大系数； PWM装置的延迟时间（s）。由于时间常数很小，滞后环节可以近似为一个一阶惯性环节，因此 (3-2) 注意，式（3-2）是近似的传递函数，实际上PWM装置不是一个线性环节，而是具有继电特性的非线性环节13。(2) 直流电动机的建模直流电动机的模型框图13如图3-2。图3-2 直流电动机的模型框图图3-2中 R电枢回路总电阻()；T电枢回路电磁时间常数（s）；T机电时间常数（s）； I负载电流（A）。(3) 开关电源及输出滤波环节的建模等效电路如图3-3所示，L和C分别是滤波电感和滤波电容。 图3-3 输出级滤波环节等效电路 图3-4 输出级滤波环节局部模型框图应用叠加原理： 先令E=0,得： = （3-3） 再令U=0，得： = （3-4）令,，综合式(3-3)和(3-4)可得输出级动态模型框图如图3-4所示。(4) 整体数学模型结构框图把以上各部分连接起来，并加上电流调节器（ACR）和电压调节器（AVR）就得到新型开关电源的整体数学模型框图，如图3-5所示，其基本工作原理为：当电动机起动、制动电流高于ACR限幅值时则输出限幅值，实现最大电流约束控制，而正常运行时，ACR饱和，由AVR实现稳压控制。图3-5 直流电机负载的开关电源数学模型把图3-5中有反电势作用的部分抽出来进行解耦变换，如图3-6。图3-6 反电势作用的部分待解耦的结构框图 令，则有： (3-5) (3-6) (3-7)式(3-5)、(3-6)和（3-7）联立解得： （3-8） （3-9） 式中,，均为时各分量。 令，则有： （3-10） （3-11） （3-12）式(3-10)、(3-11)和（3-12）联立解得： （3-13） （3-14）式中,，均为时各分量。由以上解耦变换，图3-5可变换为图3-7,图中，表达式分别为式（3-8），（3-13）。图3-7 解耦后的新型开关电源模型框图3.2 综合控制算法研究调节器的调节算法有PID控制技术、模糊控制技术、专家模糊控制、神经网络控制。（1）PID控制是在运动控制中应用最广泛、最基本的一种控制方法。数字PID算法已成为数字惯性系统中一种最常用的控制算法。PID控制方法简单易行、稳定性好、可靠性高，能满足大多数控温的要求。常规PID控制的缺点是鲁棒性不强，适应性不快，协调性不够好等。 （2）模糊控制，是大滞后系统，控制要求不同而又很难建立精确的控制模型，是故用基于数学模型的控制技术如经典PID等难以获得理想的控制效果。模糊控制系统不需要被控对象的精确数学模型，是借助于操作者丰富的控制经验，模仿人的思维，通过制定适当的控制库可实现大滞后系统的控制，具有动态响应快，超调小的优点。 （3）专家模糊控制，运用专家系统使控制器获得关于控制对象的更高层次的专家经验知识来对模糊控制器的运行参数加以修正，提高系统的稳态精度以及控制的跟踪和抗干扰能力。 （4）神经网络控制是更高精度的控制方法，在运动控制系统中，将被控对象的影响因素作为网络的输入，作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。神经网络具有学习能力、并行计算能力和非线性映射能力，在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面具有很大潜力，但是，目前神经网络控制的研究大多仍停留在数学仿真和实验室阶段，极少用于实际系统的控制当中。PID控制是在运动控制中应用最广泛、最基本的一种控制方法。PID控制方法简单易行、稳定性好、可靠性高，能满足大多数控制对象的要求。本文的综合控制算法设计均基于PID调节算法，PID控制算法的各部分的作用如下：（1）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快。偏大，振荡次数变多，调节时间反而加长，当太大时，系统会趋于不稳定；若太小，又会使系统的动作缓慢。加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度。但是加大，只能减小稳态误差，却不能完全消除稳态误差。（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之增强。但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI 或PID 控制。控制系统中增加积分环节能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。积分时间常数位于积分项的分母上，所以积分时间与积分作用的强弱成反比。越小，积分作用就越强。反之大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，当合适时，系统过渡过程比较理想。（3）微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），其作用主要是在响应过程中抵制偏差向任何方向的变化。微分时间常数过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。微分控制可以改善系统动态性能，使超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。微分时间常数 与微分作用的强弱成正比。微型计算机在PID控制中的应用，又使PID控制得到进一步的发展。数字PID控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，在各行业中得到了广泛的应用。在设计调节器之前，首先必须根据实际系统的需要，确定要将系统校正成哪一类典型系统。为此，应该清楚地掌握两类典型系统的主要特征和它们在性能上的差别。两类系统的名称本身已经说明了它们的基本区别，典型型系统和典型II型系统，分别适合于不同的稳态性能要求13。在典型型系统中，选择包含一个惯性环节的二阶系统作为典型系统，其开环传递函数为： 式中，系统的开环放大系数；系统的惯性时间常数（s）。 典型型系统属于“一阶无差”系统，对于阶跃信号输入，系统稳态是无差的，而对于斜坡信号输入，系统是有稳态误差的，一般适用于只有阶跃信号输入的恒值调节系统。在典型II型系统中，选择一种最简单而稳定的结构作为典型系统，典型II型系统的开环传递函数为：式中，系统的开环放大系数；系统的零点时间常数（s），且；系统的惯性时间常数（s）典型II型系统具有二阶无静差特性，在阶跃信号和斜坡信号输入下都是稳态无差的，属于“二阶无差”系统。在抛物线信号输入下，系统存在稳态误差，大小与开环放大系数成反比。此外，在动态性能上，典型型系统动态跟随性能指标的超调量一项要比典型II型系统小，但是典型II型系统的动态抗扰性能要比典型型系统好。3.2.1 电压调节器（AVR）的设计电压环中由于电动机负载一般有TT,成立，式（3-8）可化简为： （3-15） 所以，图3-7中的内环（AVR）可简化为如图3-8所示。图3-8 电压环结构框图整定成典型型系统，期望传递函数为： (3-16)选ID调节器，传递函数为： （3-17）式中为积分时间常数，为微分时间常数，为AVR滤波时间常数。= （3-18） （3-19） （3-20）由最优整定原则得： (3-21)所以得到： (3-22) (3-23)3.2.2 电流调节器（ACR）的设计把AVR环节作为一个整体，其闭环传递函数为： (3-24)电压环经简化后可视作电流环中的一个环节，则电流环动态结构框图可化为如图3-9所示。图3-9 电流环结构框图整定成成典型型系统，期望传递函数为： (3-25)选PI调节器 （3-26）式中为比例系数，为积分时间常数，为ACR滤波时间常数。 (3-27) (3-28) (3-29)由最优整定原则得： (3-30)所以得到： (3-31) (3-32)3.3 系统仿真分析3.3.1 仿真参数计算设直流伺服电机70SYX的参数：额定功率，额定电压，转速，额定电流，电枢电阻，电枢电感，机电时间常数。输出级滤波元件，工作频率。则 ， (1) AVR参数PWM延迟时间 ，PWM放大系数 ，电压环滤波时间常数 ，角频率 ，电压反馈系数 。由式（3-20）得 ，由式（3-21）得 ，由式（3-22）得 ，由式（3-23）得 。所以ID调节器传递函数 （3-33）(2) ACR参数电流反馈系数，电压流环滤波时间常数 。由式（3-29）得 ，由式（3-32）得 ，由式（3-31）得 。所以PI调节器传递函数 （3-34）3.3.2 系统仿真及结果分析利用MATLAB软件的Simulink工具可画出系统仿真结构图。（1）传统稳压控制仿真先仿真传统稳压控制,其结构图如图3-10所示。图3-10 传统稳压控制仿真结构图给定信号（step1）为5V，扰动信号（step2）为5.5A，由仿真得到的曲线调试参数，并保持=始终成立，最后得到，。传统稳压控制仿真得到的电压、电流波形曲线如图3-11所示。电压波形没有超调，上升时间很短，符合典的特征。电流波形峰值时间，调节时间，超调量。图3-11 传统稳压控制仿真电压、电流波形曲线由传统稳压控制仿真得到的电压、电流波形曲线可知，稳压控制效果很好，电压最后稳定在24V，由于没有最大动态电流约束控制，所以电流超调很大，是额定值的十倍以上，如此大的电流，开关电源的过流保护起作用，使得开关电源关机，从而无法带动直流电机运转。所以传统稳压控制不能很好的带动直流电机类的负载，要带动直流电机类负载必须要加上最大动态电流约束。（2）新型开关电源控制系统仿真在传统稳压控制的基础上加上最大动态电流约束控制即ACR环节再来仿真，整个系统的仿真结构图如图3-12所示，给定信号（step1）为5V，扰动信号（step2）为5.5V，限幅5V。调节参数最后得到，。图3-12 新型开关电源系统仿真结构图整个系统仿真得到的电压、电流波形曲线如图3-13。图3-13 新型开关电源系统仿真电压波形曲线由系统仿真得到的电压、电流波形曲线可以看到，电压波形经过一段时间上升到额定值，没有超调，波形曲线很好，符合典的特征。电流波形经过一段时间的调整，然后进入恒流阶段，再到1.1s之后电流下降，峰值时间为0.12s，调节时间为0.4s，超调为13%，最后稳定在额定值5.5A，整个过程最大动态电流不到额定值的2倍。电压最后稳定在24V，实现了稳压控制，电流经过动态调整后稳定在额定电流，实现了最大动态电流的约束控制。整个系统仿真得到了较好的结果，两个调节器实现了预想的功能。和传统稳压控制相比，新型开关电源控制器即有稳压控制功能，又能实现最大动态电流约束控制，适合直流电机类负载。但由于整定过程的一些近似以及其它干扰，所以存在误差，由曲线可得误差为8%。4 电源控制器的技术实现4.1 电源控制器的总体结构框图电源控制器的基本组成结构图如图4-1所示。主要有检测调理电路模块（包括电压检测调理和电流检测调理），单片机，通信模块以及人机界面。检测调理电路用于检测反馈电压和反馈电流，采样送入单片机，单片机处理后输出给控制对象，人机界面主要有LED显示实时电压值，PID参数等，键盘用于修改PID参数和切换显示。图4-1 电源控制器基本组成结构图单片机选用ADC812，该单片机速度快，功能强，集成了一个完全可编程的、自校准、高精度的12位模拟数据采集系统，芯片融合了所有的从属功能以完全支持可编程数据采集核心，这些从属功能包括用户FLASH存储器、监视定时器(WDT)、电源监视器(PSM)和多种符合工业标准的并行、串行接口等。人机界面主芯片采用ZLG7290来扩展键盘和LED显示器，其特点为：IC 串行接口，可驱动8位共阴数码管或64只独立LED 和64个按键。本设计当中用到了4个按键和3个LED数码管。4.2 电源控制器的设计4.2.1 硬件电路设计主要包括输入输出接口电路，电流检测调理电路，电压检测调理电路，通信电路以及键盘显示电路的设计。整个系统的硬件电路图见附录。(1) 输入输出接口电路的设计单片机选用ADC812，功能方块图如图4-2所示，其主要性能特点有：a. ADuC812是全集成的12位数据采集系统。它在单个芯片内，把高性能8位MCU(兼容8051) 、可重复编程的非易失性FLASH程序存储器、高性能的自校准多通道ADC和2个12位DAC等融于一体。b. 芯片融合了所有的从属功能以完全支持可编程数据采集核心。这些从属功能包括用户FLASH存储器、监视定时器(WDT)、电源监视器(PSM)和多种符合工业标准的并行、串行接口。 c. MCU内核和模拟转换器二者均有正常、空闲及掉电工作模式，提供了适合于低功率应用的、灵活的电源管理方案。图4-2 ADC812功能方块图主要功能有：a. 模拟 I/O 8通道，高精度12位ADC 片内40ppm/电压基准 每秒200K高速抽样 高速ADC至RAM的DMA控制器 2个12位电压输出DAC 片内温度传感器b. 存储器 8KB片内FLASH/EE程序存储器 640B片内FLASH/EE数据存储器 256B片内数据RAM 16MB外部数据地址空间 64KB外部程序地址空间c. 与8051兼容内核 12MHz额定工作频率（最大16MHz） 3个16位定时/计数器 32条可编程的I/O线 9个中断源，2个优先级d. 片内外围设备 UART串行接口I/O 与IC兼容的串行接口和SPI串行接口 看门狗定时器 电源监视器ADC812的输入输出接口电路如图4-3。图4-3 ADC812的输入输出接口电路图ADC0即引脚1为电流检测调理后输入引脚，ADC1即引脚2为电压检测调理后输入引脚，P2.7即引脚39为PWM信号输出引脚，引脚18、26、27为ZLG7290的控制信号引脚，引脚16、17为通信的接收和发送引脚。供电电源VCC，AVDD均为5V， AGND为模拟地，GND为数字地，注意AGND和GND要分开。滤波电容C2、C4、C5、C6、C7、C13均为0.1F。PWM-OUT输出PWM信号，用于控制开关电源。INT，SCL，SDA用于控制键盘，LED数码管扩展芯片ZLG7290。RXD，TXD用于通信接口电路。下载调试时，在PSEN引脚跨接一个1的下拉电阻R3来触发其进入下载模式，仿真时，在引脚跨接一个1的上拉电阻R4来触发其进入仿真状态。晶振Y1选11.0592MHz，2个滤波电容C8、C9均选3.3pF。高电平复位，复位时间至少10ms，上电复位，增加了手动复位功能，按键S5为手动复位按键，R11取100K，C12取0.33F，可以达到要求。JP1是用于下载调试，当下载调试时JP1合上，把40号引脚接地。网络标号A用于仿真，当仿真时不用接，接高电平。(2) 电流检测调理电路的设计设计的电流检测调理电路如图4-4。图4-4 电流检测调理电路I-IN为反馈电流经采样后的电压信号，再经AD620放大，输出到单片机的模拟输入口ADC0。电流动态时最大不超过额定值的2倍，按10A计算，主电路中采样电阻R1取0.02，产生电压0.2V，单片机模拟输入为0-V（2.5V），再经过放大器放大11倍，输出到单片机。放大器选用AD620仪表放大器，该放大器使用简单方便，精度高，增益范围11000，只需一个电阻即可设定，符合要求。根据该放大器的放大增益公式 (4-1)可以求得。供电电压VCC为5V,-VCC为-5V,滤波电容C1、C3均为0.1F。(3) 电压检测调理电路的设计设计的电压检测调理电路如图4-5。图4-5 电压检测调理电路U-IN为待检测的电压，额定值为24V，经R9、R10分压后输出给单片机。单片机模拟输入为0-V（2.5V），取，分压后电压符合要求。滤波电容C11取0.1F。(4) 通信电路的设计设计的通信电路如图4-6。图4-6 通信接口电路ADC812内部有串行通信模块UART，此串行端口是全双工的，可同时进行数据的发送和接收。接收时有缓冲，意味在前一个字节被读走前就可开始第二个字节的接受。事实上，如果在第二个字节的接受时间完成时第一个字节还未被读走，第一个字节将丢失。由于发送是主动的，一般不需要缓冲。与串行数据网的物理接口是通过引脚RXD（P3.0）和TXD（P3.1）实现的。RS-232是串行通信一般采用的标准，采用符合RS-232标准的驱动芯片ADM202。ADM202采用5V供电，借助外部的五个电容C16、C17、C18、 C20、 C21（均为0.1F），可以产生满足RS-232电平要求的输出，具有2个发送和接收通道。(5) 键盘及显示电路的设计设计的键盘及显示电路如图4-7。图4-7 键盘及显示电路人机界面主要包括键盘和LED显示，本文采用四个按键，三个LED显示器。按键S1：+，S2：-，S3：确定，S4：取消。其中S3，S4定义为功能键，S1，S2起选择修改作用，在选择模式下，S1表示选择显示上一个参数，S2表示选择显示下一个参数，在修改模式下，S1表示该参数值增加0.1，S2表示该参数值减少0.1。LED显示电压和PID调节器的各参数，共3位，一位小数，其中电压为实时显示，不能被修改。扩展芯片选用ZLG7290，其主要特点有：a. IC串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口；b. 可驱动8位共阴极数码管或64只独立LED 和64个按键；c. 可控扫描位数可控任一数码管闪烁；d. 提供数据译码和循环移位段寻址等控制；e. 可检测任一键的连击次数；f. 无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压；g. 提供工业级器件多种封装形式PDIP24，SO24。芯片供电电压VCC为5V，通过0.1F的电容C19和220F/16V的有极性电容接地滤波。晶振Y2取8 MHz，2个滤波电容C10、C15均为22pF。低电平复位，上电复位，R14取100K，C14取470 pF。该芯片有3个引脚和单片机连接，14号引脚与单片机的中断引脚相连，19号引脚SCL通过3K3的上拉电阻R13和单片机时钟口线连接，20号引脚SDA通过3K3的上拉电阻R12和单片机的SDATA连接。四个按键均有限流电阻，R5、R6、R7、R8都取3K3，数码管每个数据线均有限流电阻，RP1为8个220的电阻，D1为二极管4148快速恢复二极管，可消除负向干扰。4.2.2 程序设计整个系统的程序包括主程序，中断服务程序和相应的子程序。子程序主要包括控制算法程序，按键扫描和显示程序等。a. 主程序的设计主程序流程图如图4-8所示。图4-8 主程序流程图主程序基本流程如下：（1）上电复位，程序开始，关中断，以便系统完成初始化。（2）主程序初始化，包括设置看门狗定时器（WDCON）的设置，时间20ms，ADC寄存器（ADCCON1,ADCCON2,ADCCON3）的设置和中断寄存器（IE,IP,IE2）的设置等。（3）初始化完成后，看门狗定时器开始工作，同时开中断，使系统开始响应中断。（4）这时系统如果有中断，主程序就响应中断，完成中断服务子程序，在响应中断完成后，返回系统主程序