数控直流电流源设计_图文

1、 邮局订阅号:82-946360元/年技术创新电源技术PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注数控直流电流源设计The design of digital direct current source(山东交通学院张吉卫李瑞霞丁晓东ZHAN JIWEI LI RUIXIA DING XIAODONG摘要:介绍了一种数控直流电流源的硬件电路和工作原理以及软件设计。该电流源通过输出电流反馈构成了闭环控制系统。其输出电流精度高、稳定性好,具有良好的负载特性。关键词:单片机;电流源;闭环控制中图分类号:TN86文献标识码:BAbstract:This paper describes the ha

2、rdware circuit and the operating principle of a digital direct current source,as well as its soft-ware designing.The current source constitutes a close-loop control system through output current feedback.Its output current not on-ly is high stability and precision,but also has good load characterist

3、ic.Key words:single chip microcomputer,current source,close-loop control文章编号:1008-0570(200703-1-0247-021引言直流电流源在电子仪器、设备中应用广泛。本文设计的直流电流源输出直流电压10V ;输出电流范围为20mA 2000mA ;能够设置并显示输出电流设定值;具有“+”、“-”步进调整功能,步进1mA ;能够测量并显示输出电流值。本系统以单片机为核心,通过改变PWM 信号占空比,在电压转换电路中得到控制电压,控制电压利用运算放大器特性,控制负载电流恒定输出,实现了电压控制电流源。为保证电流源输

4、出电流稳定性好、精度高、抗干扰能力强,采用反馈闭环控制系统,结合数字PI 控制算法,取得了较好的控制效果。2数控直流电流源的系统组成和硬件设计数控直流电流源的系统组成主要包括单片机与键盘、显示、报警电路组成的控制系统模块;PWM 信号电压转换电路及电压/电流转换电路组成的电流源模块;取样电路和模/数转换电路构成的测量模块;电源模块等。其控制系统模块、模/数转换模块电路如图1所示。图1数控直流电流源控制系统、模/数转换电路2.1控制系统模块(1键盘电路:数控直流电流源主要有工作、停止、增、减按键,采用并入串出移位寄存器74LS165扩展键盘接口。单片机P3.2为数据封锁信号,P3.0为数据输入,

5、P3.1为时钟信号。(2显示电路:数控直流电流源需要显示信息较多,如输出电流值、设定电流值以及系统状态信息等。为充分明确显示,采用OCMJ 4×8中文液晶显示模块,该模块内含点阵国标一级简体汉字和ASC 码,可实现文本显示。其用户硬件接口采用作为单片机与液晶显示器的联络口。(3报警电路:数控直流电流源有过流保护功能,即当实际电流输出超过2050mA ,可实现报警,并使输出电流降为0mA 。当过流保护时,单片机驱动声响报警,声响报警电路由P1.4口驱动。2.2电源模块数控直流电流源需要输出20mA 2000mA 恒定电流,并且要求纹波系数尽可能要小。而输出电流恒定的前提是提供电流的直流

6、稳压电源输出电压稳定。我们选用线性直流稳压电源,其中稳压电路使用LM338大电流可调电压输出稳压管,其输出电流可达5A ,电压调节范围1.2-32V ,能够满足设计要求。2.3电流源电路电流源电路如图2所示,其基本原理是利用占空比可变的PWM 信号取得控制电压,控制电流源恒流输出。图2电流源电路张吉卫:副教授硕士247-技术创新中文核心期刊微计算机信息(测控自动化2007年第23卷第3-1期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例电源技术(1控制电压取得原理三极管Q 、变压器T 、二极管D 、电容C 、电阻R 组成控制电压变换电路,其电路波形如图3所示。图3控制电压变换电路

7、波形图晶体管Q 受其基极PWM 信号U b 驱动周期性导通和截止。当晶体管导通时,在理想情况下,电源电压U i (5V全部加在电感变压器初级N 1上。变压器初级感应电势“.”端为正,次级“.”端也为正,二极管反偏截止,因此电感变压器此时作为电感运行。若电感L 1是线性的,初级电感电流变化:按线性增长。电源向电感储能,负载由电容供电。晶体管截止时,电感能量不能突变,变压器各线圈感应电势反号,“.”端为负,迫使二极管导通,电感能量逐步转为电场能量向电容充电和负载供电。设电容电压变化很小,次级电流变化量:在稳态时转换瞬间变压器应满足:和因此,式中N 1,N 2分别为变压器初、次级匝数。L 1和L 2

8、分别为变压器初、次级电感量,设变压器没有漏感,应有:由以上各式联立求解,得到:或式中为变压器变比,为PWM 信号占空比系数。由上式可知,通过改变PWM 信号的占空比系数可得到连续变化的U 0,进一步利用分压电路可得到连续变化的控制电压U c 。(2恒流原理由运算放大器特性,控制电压:则负载电流,与负载阻值R L 无关,当控制电压一定时,负载电流恒定,实现了恒流。达林顿三极管BU932起到扩大输出电流作用。我们选择采样电阻R f =1欧姆,由大线径康铜丝绕制而成,取其电压降为采样电压进行模/数转换。2.4模/数转换为实现输出电流恒定,采用反馈闭环控制系统,需要采样输出电流的变化,将采样电阻两端的

9、采样电压送到图1所示模/数转换电路转换为数字量,反馈回单片机,实现了电流变化的采样。本系统选用12位串行模数转换芯片AD7705。从保证转换精度和稳定性方面考虑,AD7705的电源由电压基准源芯片MC1403产生。为适应50Hz 工频的特点,提高A/D 对其的抗干扰能力,A/D 晶振频率选用芯片规定的2.4576MHz,输出更新率为50Hz 。系统中,AD7705的数据输入/输出口线并接后与单片机的P1.3相接,SCLK 接P1.1,DRED 接P1.2。3控制算法和软件编程3.1位置式PI 控制算法在数控电流源闭环控制系统中,为保持负载电流恒定,并且负载电流随设定值变化时没有超调,同时又希望

10、系统有比较好的抗扰动性能。我们采用PI 调节器来改善系统的性能。由于计算机控制是一种采样控制,必须将PI 调节器中的积分项和微分项进行离散化处理。离散化处理的方法是:以T 作为采样周期,k 作为采样序号,则离散采样时间kT 对应着连续时间t ,用求和的形式代替积分,因而可得PI 位置式增量算式控制量的递推形式为:式中e k 、u k 第k 次采样时刻输入的偏差值和计算机输出值;e k-1、u k-1第k-1次采样时刻的输入的偏差值和计算机输出值;K P 、T I 比例系数、积分常数。单片机编程时,第k 次采样,首先根据给定值r 、测量值y 计算偏差:再根据第k-1次的偏差e k-1、控制量u

11、k-1计算u k ,并换算为PWM 信号占空比的增量变化,实现控制电压及输出电流的恒定。3.2控制软件控制软件主要包括主程序、按键、显示、采样、控制算法等子程序。在系统加电后,主程序首先完成系统初始化,其中包括AD7705初始化、液晶初始化、定时器初始化、定义变量及其初始化等。根据是否有键按下以及键值,执行相应的功能子程序。当工作键按下后,根据设定值、采样值,控制算法子程序计算对应输出量,并进一步改变PWM 占空比,实现电流反馈闭环控制。限于篇幅,其各程序框图从略。4结束语该数控直流电流源采用反馈闭环控制的方法,构造出了实用的直流电流源,其电流输出的预置级数和调整精度与PWM 占空比调整率、模

12、/数转换器的位数有紧密关系。而本系统PWM 占空比调整率可达1甚至更小,而AD7705为12位模/数转换器,因而该电流源精度较高。当然,由于本系统采用串行模/数转换器,系统响应速度较慢,若采用并行模/数转换器以及PID 控制算法,电流源的响应速度会进一步提高。本文作者创新点:以单片机为核心,通过改变PWM 信号占空比,得到控制电压,进一步控制负载电流恒定输出,这种方法由于PWM 信号占空比调整率可达1甚至更小,因而输出电流步进可达1mA 。而利用电流以及模/数转换电路构成的反馈闭环控制系统,结合数字PI 控制算法,保证了电流源输出电流稳定性好、精度高、抗干扰能力强。参考文献:(下转第197页2

13、48-邮局订阅号:82-946360元/年技术创新传感器与仪器仪表P LC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注Dim Th1As New Thread(AddressOf 显示1'建立其他线程建立线程时,其中AddressOf 表示两个线程执行的子程序分别是采集(和显示1(。Th0.Start(Th1.Start('启动上面线程设置线程的优先级,采集数据线程优先级高于屏幕显示线程,优先级线程的更迅速地响应请求,代码如下:Th0.Priority =ThreadPriority.AboveNormal Th1.Priority =ThreadPriority.Normal

14、'其他都设为Normal4结束语本设计中使用DirectX 的DirectDraw 类在内存中绘制图形,并且不立即显示在屏幕上,通过翻转再输出到屏幕上,既提高了图像数据的处理速度,又有效的避免了图像闪烁;使用多线程技术实现数据采集和显示同时进行,既避免了采集时丢失数据,又保证了较高的显示速度。上面代码在windows XP 、.Net2003企业版中调试通过,设计并实现了一个性能较好的虚拟仪器的图形显示面板。本文作者创新点:虚拟仪器的图形显示面板,并且图形不立即显示在屏幕上,通过翻转再输出到屏幕上,既提高了图像数据的处理速度,又有效的避免了图像闪烁;同时进行,避免采集过程的丢帧,并能实

15、现图形的高速输出。参考文献:1史建华,李槐树,向东.虚拟仪器在系统相关辨识中的应用J.微计算机信息,2006,10:199-2002尚展垒等.Visual Basic.NET 程序设计技术M.北京:清华大学出版社.2006,33马明建.数据采集与处理技术M.西安:西安交通大学出版社.1998,5作者简介:陈嫄玲(1973-,女(汉族,河南汝州人,郑州轻工业学院计算机与通信工程学院讲师,硕士,主要从事软件工程研究。Biography:ChenYuanling (1973-,Female (Han Nationality,Ruzhou,Henan Province,School of Comput

16、er and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry ,Lecturer,Master,Major in software engineering.(450002河南郑州郑州轻工业学院计算机与通信工程学院陈嫄玲(466000河南周口周口职业技术学院郜颖(454003河南焦作焦作大学计算机系邢文生霍晓丽(School of Computer and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 45000

17、2ChenYuanling(Zhoukou vocation technology college,Zhoukou 466000Gao Ying(Department of Computer,Jiaozuo University,Jiaozuo 454003,Xing Wensheng3,Huo Xiaoli通讯地址:(450002南省南省郑州市东风路5号郑州轻工业学院计算中心陈嫄玲(上接第205页AT89C2051单片机与字符型LCD 显示模块DMC16230采用扩展串行方式接口,用串入并出8位移位寄存器74LS164扩展一个8位输出口。这样可节省89C2051的6根I/O 线,节约了单片机

18、有限的接口资源。单片机与74LS164、DMC16230的连接方式如图5所示。2.3软件设计根据有源网络内阻测量仪的功能要求,主要设计了初始化程序、测量程序、零点校正程序、显示数据处理和显示驱动程序等。软件流程图如图3所示。3结束语本文作者创新点是实现了有源网络内阻的自动测量。作者设计和研制的有源网络内阻测量仪,实际应用于不同类型有源网络内阻的测量,获得了良好的效果。该测量仪具有结构简单、成本低、性能稳定、测量精度高、使用方便、智能化等优点。参考文献:1田晓东,等.数字式仪表自动判读设计与方法研究J微计算机信息,2006(4-1:191-193.2吴峰,等.利用双8051芯片组成的频率测量系统J微计算机信息,2005(4-2:69-70.3雷建龙.基于单片机的模糊控制器的设计J微计算机信息.2006(6-2:49-51.作者简介:秦辉(1962,男,