数控直流电流源设计报告.docx

数控直流电流源作品功能简介：在电子作品的设计、应用或测试中，一个稳定、精度高的电源尤为重要，为直流电源的应用更是广泛。本作品就是为其它设计的应用或测试提供一个稳定性高、精度高的直流电流源。本组的作品的设计方向就是稳定性高、精度高、纹波小、驱动能力强。本作品有两个个主要功能：功能一：输出20到2000mA的稳定电流，并且步进值可调（1mA、5mA、10mA、100mA）。功能二：可实时测试并显示负载上的电流值。功能三：有相应的提示功能。（一） 方案论证与比较从控制论的角度来看，某一系统要达到较高的控制精度，必须采用闭环控制。闭环的电流控制系统可以由如下的原理框图来表示：执行器（功率放大器）控制器电流检测R +被控对象（负载）Y图1 闭环电流控制系统原理框图由上述原理框图可以知道，数控直流电流源的设计主要考虑三个方面的问题：电流控制器设计、功率放大电路设计和电流检测方法。此外，从电子系统设计的角度，还需考虑系统电源的设计。1电流控制器设计电流控制可以有多种方案，如基于PWM技术的开关电源方案、基于模拟器件的模拟反馈压控方案、以及基于微控制器的数字反馈数控方案。方案一：基于PWM技术的开关电源方案。通过PWM技术来调节开关电源的电压输出，控制PWM信号的调制脉宽就可以控制输出电压，从而达到控制输出电流的目的。该方案适合要求高功率输出的交流系统，同时电源效率上具有很大的优势，但是开关电源必然引入纹波噪声，在高精度要求的直流系统中，对滤波电路的要求非常高,难以实现。题目对电流精度及纹波要求很高，该方案难以胜任。方案二：基于模拟器件的模拟反馈压控方案。该方案采用三极管或集成运放，组成电流串联负反馈电路，三级管或运放工作在深度负反馈状态下，具有良好的压控恒流特性。典型的电路结构如图2所示。图2中，Re相当于取样电阻，输出RL上的电流通过Re在运放的输入端形成负反馈，由运放的虚短虚断，忽略三极管的基极电流，则可得到输出电流IL的表达式： 图2 模拟反馈压控方案典型电路 IL=Vi / Re 此方案实质上是由模拟器件作为了控制器，调节速度快，系统的跟随性好，即动态性能优越；但是，由于模拟器件固有的非线性特性，式的精确度受到影响，电流控制稳态性能不够良好。同时，反馈系统对外是封闭的，要得到电流值还需进行取样。方案三：基于微控制器的数字反馈数控方案。该方案将图1的系统数字化，在微控制器上设计调节器，通过A/D转化直接得到电流的数字值。图3是它的结构示意图。数字反馈控制的原理为：取样电阻串入负载回路，放大取样电阻两端的电压，通过A/D转换可以得到负载回路的电流值，采用一定的控制算法 图3 数字反馈数控方案结构图如P控制、PI控制等，通过调节D/A输出的电压值达到对电流的控制。该方案的优点是，由于是数字系统，不存在调节器的线性度问题，因此稳态精度可以达到很高，同时也得到了电流值；缺点在于采用的是数字反馈和软件实现的调节器，系统的调节速度不够快，抗高频干扰和大幅度负载波动的能力较差。由于本题对电流控制的稳态精度要求很高，而没有对其动态性能提出要求，同时对抵抗负载的波动要求也不高，并且明确要求能够测量电流，综合考虑，选择方案三。2功率放大电路本题要求的最大功率输出为10V2A=20W，因此必须要有功率放大电路。同时由于题目要求纹波电流不大于2mA，因此对该功放电路的漂移、纹波等要求很高。功率放大电路的实现方案非常灵活，可以采用分立器件如功率三极管、达林顿管等实现，电路结构灵活，成本低；也可以采用集成的功放芯片如LM1875等实现，电路简单。本题要求功率输出达到20W，而纹波小于2mA，因此，功放电路的容量应该远大于20W，这样才能在保证功率输出的同时，还能够保证低纹波输出。方案一：采用集成的功放芯片。LM12的最大输出功率为80W可以达到设计要求，但是其成本相当昂贵、性价比不高。LM1875的功率消耗大且输出功率只能勉强符合设计要求。方案二：采用分立器件。功率三极管、达林顿管电路结构灵活，成本低，但是电路所需元件较多，电路的稳定性不高。大功率的场效应管IRF640最大输出电流16A、Vds能有200V足以保证本题的指标，且其电路结构简单、成本低。综合考虑，本设计选用了大功率的场效应管IRF640，足以保证本题的指标。3电流检测方法常用的电流检测手段或方法有串电阻取样和霍尔元件检测，其中，霍尔元件检测是无接触式检测，很适合高压、大电流的检测，但是其精度不够高。本系统采用的是串电阻检测法，保证其检测精度。4系统电源设计要保证高精度电流控制，首先要从系统本身尽可能减小电源扰动。而本题对于电源电路的要求比较高。一方面，要在功率放大这一级尽量减小纹波，则必须要求其供电电源的容量大，纹波小；另一方面，由于整个闭环对于反馈环节的扰动是无法克服的，则反馈环节的稳定性、精确性尤其重要，这就必须要求电流检测部分的供电电源噪声低、纹波小，从根源上消除系统内部扰动和纹波。对于功放电源的选择，开关电源可以达到更高的容量，但是开关电源给电路引入的谐波干扰十分严重，不适合本题的要求。因此功放电源和控制电路电源都采用线性稳压电源。为了尽量减小电路的干扰，除了采用普通的整流滤波外，在电源端加上了有源滤波。实践证明，该滤波电路的效果非常好。（二） 理论分析与计算1系统实现框图该系统的整体框图如图4所示。图4 系统整体框图2A/D、D/A转换器的选取题目要求输出电流与给定值的偏差给定值的1%+10mA，在发挥部分中要求电流步进1mA,以及满量程2000mA输出，则D/A转换器的分辨率至少为1/2000，即要求D/A转换器至少为11位，留有裕量，应选择12位以上D/A转换器。本设计选用的是16位串行接口D/A转换器MAX541。题目要求测量误差绝对值测量值的0.1%+3个字，要达到这一要求，也需要12位以上的A/D转换器。同时考虑到数字反馈的速度，要求A/D转换器的速度不能低。综合这些因素，选择12位并行A/D转换器MAX197，MAX197为多量程12位数据转换器，内置电压基准。3功率放大器的选取题目要求最大输出电流2A，最大输出电压10V，则最大输出功率达到20W。同时题目在发挥部分要求电流纹波小于0.2mA,这对功放的要求比较高。首先，只能选择线性功放，而不可选择D类功放；其次，为了保证在要求功率输出下满足纹波的要求，功放的容量也要求足够大。以50%来考虑功放的效率，则至少需要选择40W功率输出的功放，考虑到裕量和稳流能力，功放功率要求还要高。综合这些因素，选择了大功率场效应管IRF640。4调节算法分析电流源负载波动时，电流源应该能够及时调节跟随，维持电流稳定。本设计选用的STM32单片机，速度可达72Mhz，故速度足以满足采样控制要求，因此，对于本作品硬件的速度已经很快，调节算法上只有稍作优化即可。5抑制纹波的措施本题对纹波要求非常高。题目的基本部分和发挥部分分别要求了电流纹波小于2mA和0.2mA。要达到这个要求，要采取相应的措施。对于本系统，造成纹波的主要因素是工频干扰、负载波动和数字调节的过冲噪声。其中第三项是数字控制系统必然存在的，不可避免；因此，主要从抑制工频干扰和提高负载容量上来抑制电流纹波。 在电源端即进行滤波。系统的工频干扰主要由电源变压器引入，因此在电源端进行滤波对抑制工频干扰是十分必要和十分有效的。 选择功率足够大的功率放大电路，高电压供电。输出电流直接来自功率放大器，功率放大电路的功率或负载容量、电源波动对输出电流都有影响。在20W输出下，要保证低于0.2mA的电流纹波，功放的功率必须足够大，电源电压尽量提高。因此，本设计选用16A输出电流的大功率场效应管IRF640。 注意电路板的地线的处理。各电路板地线都敷铜加粗，接地遵循多点接地和就近接地的原则。（三） 系统软件设计本系统控制器选用的是STM32单片机，执行必要的输入输出和反馈控制算法。STM32单片机的速度高，在软件设计的结构上没有太大的难度，但是要提高控制的精确度和速度，还是要在控制算法进行相应的优化设计。误差调整算法：由于实际中放大电路的放大倍数与理想的20倍、200倍会有偏差，再者由于测量的仪器仪表所限制，难以测量小的电压值，做到精确地调整好放大倍数。而电路的取样电阻0.1欧姆也难以测量，会有偏差，因此理论上的采样电流的计算如果按20倍、200倍，0.1欧姆的理想值计算必有偏差，导致输出电流不准确。所以本设计在调试时，应用了误差调整算法。将放大倍数A和取样电阻R的乘积AR看成一个系数K，测量出多组的电流值和理论上的设定的电流值，计算其偏差，通过调整系数K使设定的电流值与实际电流值一致。电压输出算法：由于电流的输出有20到2000mA的范围，前面一提到，AD采样分两个档位：20到200mA，和200到2000mA，因此为了能快速得到一个稳定的电流在软件设计上也要将这两个档次分开。当操作者给定了设定的电流值之后，程序先判断是在哪个档位的范围内。对于第一档（20到200mA），由于其电流值相对较小，所以DA调整的时候步进应该相对较小。对于第一档（20到200mA），由于其电流值相对较大，所以DA调整的时候步进应该相对较大。另外为了电流的精度高，当DA输出的量使AD采样的量接近理论值时，应减慢DA的调整速度，即减小步进值。其次，为了避免DA的输出过大，当采样电流过大时，应适当地减小DA的输出。算法的形象表示如下：（四） 电路原理图1功放电源电路功放电源电路如图6所示。图6 功放电源电路该电路在普通的线性整流滤波电源电路基础上加入了三极管有源滤波电路。对于抑制纹波尤其是低频纹波十分有效。图中三极管Q1、Q2即是用作有源滤波。有源滤波电路的原理为：稳压管D1、D2稳定三极管基极电压，由于三极管基射之间的跟随能力，同时也稳定了三极管发射极的电压输出。从等效阻抗的角度来看，基极电容C2、C3相当于放大倍反映到发射极，则这一等效电容即为2200F，这一等效的电容即起到了稳定射极电压的作用。每个大容量电容都并上了100k电阻，在断电情况下为电容提供放电回路。该电源的输出电压为30V，满足功放电路对电源的要求。2功率放大电路功率放大电路如下图所示：该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管 Q1、采样电阻 R5，R1、C4、R6组成。电路中调整管采用大功率场效应管 IRF640。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到 2A 的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流 Id 近似为电压Ugs 控制的电流。即当 Ud 为常数时，满足：Id=f（Ugs） ，只要 Ugs 不变，Id 就不变。 在此电路中，R5 为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小） ，阻值为 0.1欧。运放采用OP-07 作为电压跟随器，UI=Up=Un，场效应管 Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计) 所以 Io=Is= Un/（R5+R6）= UI/（R5+R6）。正因为 Io=UI/（R5+R6），电路输入电压 UI 控制电流 Io，即 Io 不随 RL 的变化而变化，从而实现压控恒流。 同时，由设计要求可知：由于输出电压变化的范围 U=10V，Iomax=2A,可以得出负载电阻 RLmax=5欧。3电流检测电路电流检测电路如图8所示。恒流源要求输出电流20mA-2000mA,取样电阻阻值为0.1，因此取样电阻上电压范围为2200mV,为了在全量程内保持较高的精度，分两档(20/200)放大取样电压。取样电压为220mV时，增益取为200；取样电压为20200mV时，增益取为20