数控直流电源的设计

电子科技大学ABSTRACTAbstract:Withthedevelopmentofthetimes,digitalelectronictechnologyhasbeenpopularinallfieldsofourlives.ThispaperintroducesaDCpowersupply,thepowerconsistsofpowersupply,displaycircuit,controlcircuit,digital-to-analogconverteranalog-to-digitalconverterandcircuitamplifier.Accurately,analogpowersuppliesvoltageforchippower,LCDandamplifier;displaycircuitdisplaystheoutputvoltage.Themaximumoutputvoltageis300V.DSPisthecoreofcontrol,Thehardwarecircuitusesfeedbackcircuit,sothatthewholeconstituteaclosed-loopcircuit.Intermsofsoftwareitmainlyusesclosed-loopcontrolprinciple.Thesystemhasgoodfeaturesofhighreliability,smallsize,simpleoperationandfriendlyman-machineinterface.【Keywords】NC;DCpowersupply;closedloopcontrol;digitalsignalcontroller目录第一章设计的意义及思路 7第二章方案设计 82.1总体方案设计 82.2数字信号控制器DSC的选 92.3触摸液晶显示屏的选择 112.4数模D/A转换器的选择 122.5功率放大管的选择 132.6模数A/D转换器的选择 13第三章电路原理和硬件实现 153.1总体电路原理及框图 153.2各单元电路的实现与分析 16第四章软件设计 254.1程序流程框图 254.2主要程序流程 26第五章系统测试 275.2系统整体测试 275.3整体测试结果及分析 28第六章结论 29参考文献 30第一章设计的意义及思路数控直流电源设计的意义直流电源是在人们生产生活中常用的设备之一，非常广泛的应用于我们的教学、科研等领域。现在，大多数的直流电源功能简单、控制麻烦、可靠性低、精度低且复杂度高。随着科学技术的不断发展进步，现代工业应用的工控产品均需要有宽电压输出范围的高压电源，特别是在一些科学研究领域，更是需要数字控制的低纹波、宽范围输出、精度高、操作简单方便、人机界面友好的直流电源。通过对直流电源的设计应用，可以为我们的科研工作者提供一个很好的工具设备，同时也可以大大的改善善科研试验环境，为我们的科技进步提供极大的便利。数控直流电源设计的基本思路直流电源是科学研究最常用的试验仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。针对目前的一些实际需要，我们设计了一套以数字信号控制器DSC为核心的智能化直流电源。该电源可以进行输出参数的设置，可对输出电压从0.1V到300V。输出由DSC控制，经过D/A及滤波后输出标准控制信号，通过稳定的直流电压放大电路及输出控制电路输出稳定可控的直流电压。直流电源的稳压方法有两个方式，其中一个是采用硬件闭环反馈；另外一个是采用DSC进行数字化闭环控制。DSC通过A/D采样输出电压，与设定值进行比较，若达到一定的偏差则调整输出。整机运行过程中，直流稳压电源的工作状态，包括输出电压幅度等各种工作状态，均由主控单元进行判断处理，通过液晶显示屏进行状态显示。第二章方案设计2.1数控直流电源总体方案的设计本数控直流电源由数字信号控制器DSC进行控制，采用D/A和运算放大器及滤波电路产生可以调节的参考信号，通过此信号调节放大电路的输出电压。这样的设计，可以提高输出的稳定性。根据步进及调节细度的要求，对于常用的8位或10位的D/A芯片的精度达不到题目所需要的精度要求。为此，经过理论计算并且结合以后的扩展需要，采用了16位的D/A芯片，使得直流电源的输出细度及步进调节细度有了保障。本直流电源方案是采用的TI公司的DSC芯片TMS320F28335。通过积分滤波整形出平滑且低纹波的直流信号控制多级功率放大管输出，改变输出电压的大小。当DSP通过闭环负反馈调节回路的A/D转换检测到电压没达到设定值时，将根据实际的偏差对输出电压进行调节，直到输出电压达到设定的目标值。本方案易于实现，首先保证了调节精度、细度以及快速性，又能够做到宽电压输出范围。此数控直流电源的方案原理示意图如下：供电电源单元、主控制单元、人机交互单元、数模转换单元、放大单元及模数转换单元。方案原理框图2.2数字信号控制器DSC的选择为了满足现有项目的控制需要，同时考虑到项目以后的功能增加扩展及精度的提高所需要的计算能力，在此选择接口丰富、功能多、计算能力强的DSP芯片。综合比较现有仪器设备上主流广泛应用的各数字处理器芯片，选择TI公司数字信号控制器TMS320F28335。（1）TMS320F28335简介：TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。具备I2C、SPI、eCAN、ePWM等总线接口，适用于各种控制类工业设备。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。TMS320F28335在保持150MHz时钟速率不变的情况下，与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多。（2）TMS320F28335仿真工具和开发环境：

TMS320F28335开发工具有：标准的优化C／C++编译／汇编／连接器，CCS集成开发环境，评估板和XDS510仿真器。其中CCS是一个界面友好，功能完善的集成的开发平台，具有编辑、汇编、编译、软硬件仿真调试功能。TMS320F28335芯片外形：（3）TMS320F28335芯片的功能框图：2.3触摸液晶显示屏选择满足现有项目的控制需要，又考虑到项目以后的功能增加扩展的需要，同时，也为了节约开发设计时间，在此选择接口简单、带有系统控制的串口屏，也可以带触摸功能。目前，之所以选择串口屏就是为了简单快速的解决问题。有些厂家的串口屏大多使用自家的协议，不能很好的支持通用协议，如MODBUSRTU协议等。因此，在一般情况下，可以按照项目的需要进行自定义协议。同时，可以通过进一步的简单改进，可以支持MODBUSRTU协议，也可以支持按照电力标准协议DL/T-645协议进行通信控制。通过协议控制采集直流电源的运行数据，显示电压变化、运行状态，可以通过计算阶段时间内的平均值对越限进行提示报警。对屏的要求是：7寸带外壳电阻触摸屏，12V供电，RS485接口。智能串口屏简介：智能串口屏是HOTLCD新推出的一款系列产品，以优良的产品性能广泛应用于各种工业工控领域。智能液晶显示模块所有的显示和操作都是基于模块内预置好的变量配置文件来操作。使用时只要将电脑设计好的界面通过接口导入智能显示模块内即可实现不同显示界面间的切换和刷新。智能模块能对不同分辨率界面自动适配转换。可快速帮助用户开发全图形触摸屏人机界面，触摸屏输入法、弹出菜单、滑块拖动、增量调节等触摸屏交互方式和变量图标艺术字、曲线显示、时间变量等变量显示，减少大量的显示编程工作。智能液晶显示模块可以给项目的开发设计提供方便快捷的途径。2.4数模D/A转换器的选择采用LTC1595-串行16位乘法DAC。（1）特点SO-8封装(LTC1595)DNL和INL：1LSB(最大值)低干扰脉冲：1nV-s(典型值)快速稳定至1LSB：2μs(配合使用LT1468)引脚与业界标准的12位DAC兼容：DAC8043和DAC8143/AD7543四象限乘法低电源电流：10μA(最大值)上电复位

LTC1595：复位至零标度三线式SPI和MICROWIRE兼容型串行接口（2）典型应用2.5功率放大管的选择对于高压输出直流电源，直流电压功率放大管的选择是尤其重要的。首先要求该管要有一定的功率输出，特别要求耐压要高。通常可以选择三极管或场效应管。就本题来选择，由于耐压高，且要求线性好，那么最好选用三极管。因此选择了TIP50，其技术参数如下：晶体管类型：NPN电流-集电极（Ic）（最大值）：1A电压-集射极击穿（最大值）：400V不同Ib，Ic时的Vce饱和值（最大值）：1V@200mA，1A电流-集电极截止（最大值）：1mA不同Ic，Vce时的DC电流增益（hFE）（最小值）： 30@300mA，10V功率-最大值： 2W频率-跃迁： 10MHz工作温度： 150°C（TJ）安装类型 ：通孔封装/外壳 ：TO-220AB2.6模数转换器的选择考虑到对宽范围输出电压的采样，并且要保证精度和稳定性。在此，选择性能优越的模数转换器LTC1609。（1）介绍LTC1609是一款200ksps、串行采样16位A/D转换器，其在采用单5V电源时仅吸取65mW(典型值)功率。这款易用型器件内置了一个采样及保持电路、一个精准型基准、一个开关电容器逐次逼近A/D转换器和经过修整的内部时钟。LTC1609的输入范围规格为±10V、±5V和±3.3V(双极性输入)以及0V至10V、0V至5V和0V至4V(单极性输入)。最大DC规格包括整个温度范围内的±2LSBINL和16位无漏失码。该器件具有87dB的典型信噪比。该ADC具有一个高速串行接口。串行输出数据可采用内部串行移位时钟由时钟信号同步输出，或采用一个外部移位时钟由时钟信号同步输出。一个单独的转换起动输入(R/C)和一个数据就绪信号(BUSY)简化了至FIFO、DSP和微处理器的连接。（2）技术参数及特点采样速率：200ksps输入范围单极性：0V至10V、0V至5V和0V至4V双极性：±10V、±5V和±3.3V保证无漏失码串行I/O单5V电源功耗：65mW(典型值)断电模式：50μWSNR：87dB(典型值)可采用内部或外部基准运作（3）典型应用第三章电路原理和硬件实现3.1总体电路原理及其框图总体电路原理框图如下：总体电路原理框图3.2各单元电路图实现分析本数控直流电源主要由主控单元、人机交互单元、数模转换单元、电压功率放大单元、模数转换单元及供电电源单元等六个部分组成。供电电源单元提供各单元芯片、显示屏、放大电路所需电源。人机交互单元用于输出参数的设置、显示电源输出电压的大小及状态。下面就各单元的实现进行分别分析阐述。3.2.1主控单元主控单元即为主机控制部分，整个控制都是依靠DSP芯片及其相关外设完成。综合考虑本题目要求、成本及未来的功能与性能的扩展，我们选择TI公司的F28系列DSP芯片TMS320F28335作为本方案的控制核心。主控单元应用框图（2）应用模块图如下：主控模块图3.2.2人机交互单元现在，显示的方式多种多样，主要类型有：LED显示和LCD显示。前者显示亮度高，制作成本低，适合做远距离显示，但由于其耗电较大，所用端口随显示的数据位数增加而增加，会很复杂，功能扩展也不方便。如果采用动态扫描方式显示，则又占用CPU的时间，如果采用静态显示则需要加锁存器，耗费硬件制作时间，就该题目要求来说，需要设定电压幅度，实际低压显示，从上面诸多方面考虑，采用LCD显示比较理想。为了各部分的独立性，采用串口屏，带触摸功能。其与主控制单元的连接接口的定义如下。（1）、硬件接口：简化串口RS232，接线方式为三线制(Tx,Rx,Gnd)；通讯格式:8bit数据位，1bit起始位，1bit停止位,累加和校验；波特率可为38400bps或115200bps（以后可根据实际情况定）；（2）、通讯帧基本格式 序号123456字节数121n11含义SOFLONGCmdDataInfoCheckByteEOF68H固定长度控制命令类型信息体校验字节16H（3）、控制命令序号命令描述备注1调整幅度01H2调整偏置02H3延迟启动时间设置03H5输出启停控制命令04H6电压保护设置05H7电流保护设置06H8异常复位07H9状态读取08H3.2.3数模转换单元对于数模转换单元的设计，采用了数字乘法器芯片LTC1595B。由SPI接口进行数字控制，并且结合精密运放LF412，可以输出按照数字控制需要的输出信号，提供给放大前级。电路如下。作为乘法器输入的基准信号，采用精密电压芯片MAX6225，通过精密运放LF412进行反向处理。电路如下。3.2.4电压功率放大单元电压功率放大单元，包括信号比较、前级驱动、高压放大及反馈电路等部分。具体的电路如下图。（1）对于信号比较部分，通过精密运放TL084及其外围，构成误差放大比较器，结合输入信号及反馈信号实现无差调节环节。（2）对于电压放大环节，除了由TIP50晶体管进行放大外，还通过前级的KSP42进行驱动。（3）对于电压的放大，由于电压较高，而为了有效保护功率放大管，增强电路的可靠性，在电压放大环节加入了分压电路。设计电路图如下。（3）保护检测电路为了实时的对输出进行过压检测报警，特设计了保护检测电路。同时也通过与启动状态进行组合，可以在过压及电路异常时，有效控制输出进入关闭状态。电路如下图。3.2.5模数转换单元（1）对直流电压输出采集基本功能描述□对输出电压的采集、调理；□对输出电压通道的保护处理；（2）、输出采集采样部分的器件接口要求□电压A/D部分：用LTC1609来实现；□输入的EMC保护处理：□电源需求：±5V/0.6A，应用12V供电经过DC/DC模块转为±5V。（3）、直流输出采样单元的基本框图采样单元的基本框图（4）模拟输入电路单端通道的模拟输入到ADC的模拟信号都受到引脚电容及输入泄露的影响。模拟信号源必须通过一个串联电阻连接ADC针对那些输出阻抗接近于10kΩ或更小的模拟信号做了优化。对于这样的信号采样时间可以忽略不计。通道输入信号频率低于于奈奎斯特频率(fADC/2)，这样可以避免不可预知的信号卷积造成的失真。在把信号输入到ADC之前最好使用一个低通滤波器来滤掉高频信号。（5）AD转换检测电压值，通过AD转换，得到实际电压力值，进行显示处理。当检测到的值大于设置值时，调节输出电压减小。当检测到的值小于设置值时，调节输出电压增加。在调节时，输出电压微调一步为0.05V。通过微调，可以使输出的电压和电流比较精准。（6）ADC基准电压源ADC的参考电压源(VREF)反映了ADC的转换范围。其稳定性也决定了系统调整的稳定性。由此，要选择温度特性好的基准电源。采用MAX6225基准芯片。可以见后面的原理图。（7）应用的电路图如下（7）功放输出端采集处理的必要性与电压的精确感测（四线制开尔文接法）为了能够给功放内部调节电路、预调整电路及切换控制电路等提供实时精确的反馈或依据，就要对输出端电压进行实时精准的采集测量。准确地提供精确电压电源或测量精确电压的一个挑战便是导线阻抗对受测设备所经受的电压的影响。导线阻抗总是存在的，但在导线较为细长时会最为突出。对于导线阻抗所引入的电压误差的解决方案是设备用4-线感测。该方法通过测量该设备直接承受的电压并做出相应补偿解决了跨导联阻抗的电压下降。电源与设备的传输特性均在于输出端的两个额外的端子，也以此支持该4-线感测方法，这些用于遥测的额外端子与该设备直接相连。虽然用于感测的导线仍存在导线阻抗，但是，由于电压测量具有高阻抗，所以没有电流流经该感测导线，进而没有检测到电压下降。3.2.6供电电源单元数控直流电源的电源单元包含两部分：各单元模块工作电源，电压功率放大级供电电源。（1）各单元模块工作电源MCU电源模块是让220V电源通过变压器降压，整流滤波后经过三端稳压7815，7915得到15V电压为运算放大器供电，同时，在+15V电源经过三端稳压7805为单片机提供工作电源。其图如下所示：供电电源模块图（2）电压功率放大级供电电源设计实现直流开关电源包含的单元电路有：EMI电路、AC/DC全波整流电路、PFC电路、DC/DC全桥变换电路、隔离变换输出、输出滤波与共模抑制电路及保护电路等。直流开关电源各主要单元的设计电路简化图如下交流输入EMI处理电路。对输入的交流电源，通过最前级的EMI处理电路，进行共模干扰及差模干扰的抑制。◆AC/DC整流电路。采用全波整流的方式。◆PFC电路。由于BOOST变换器构成的主电路控制起来方便有效。通过此PFC校正后，使得功率因数得到了改善，大大地减少了无功功率，大大减少了谐波超标造成的干扰。◆DC/DC变换电路。DC/DC变换电路采用全桥（或半桥）电路用来提供稳定的直流母线电压。◆隔离变换输出滤波部分。选择与DC/DC变换电路相匹配的变压器及整流滤波电路，对直流母线电压进行变换隔离输出处理。共模抑制器。由于电源与功放都有高频开关动作，这很容易引起电源与功放之间的互相干扰，在母线电压比较高的时候尤其明显。为了消除互相的干扰，在电源与功放两级之间串接共模抑制器，用来隔离其相互间干扰。◆通过各环节的优化设计，直流开关电源的整体效率将在87%～90%之间。◆保护电路。电源具有完善的过压、过流（限流式）、短路、过热等保护，使得电源可以安全可靠的运行。第四章软件设计4.1程序流程框图程序流程图4.2主要程序流程（1）基本过程当系统上电，立刻进行初始化，分别是端口初始化，DA初始化AD初始化，定时器初始化；然后系统默认电压10V。当启动按下后，系统进行检测并进行输出操作。在输出状态时，程序的基本流程是：操作扫描AD转换调节输出状态输出操作扫描，按照此流程循环。（2）软件界面第五章系统测试5.1系统整体测试5.1.1、输出电压功能的测试（1）、输出电压的基本范围输出电压范围：输出电压幅度为0V～300V；（2）、输出电压的基本测试方式对输出电量的测试，采用直接测量法。用一台与被检电源量程相近的仪表作为标准，将测量结果与设定值进行比较检验。电源电源标准表（电压表）（频率表）标准表（电压表）（频率表）令值令值输出电压的基本测试示意图（3）基本误差计算基本误差按下式计算：E＝（V×—V1）*100%AFV×被测显示值V1标准显示值AF基本值（一般指被测输入量标称值（或量程上限）（4）输出电压调节的测试在输出电压最大幅度0V～300V的范围内，选取10个点，分别设置输出。在电源启动输出后，标准表的电压测量值应当分别为设置的对应值，设备输出电压误差小于100mV。5.1.1、纹波及噪声的测量（1）、输出电压的纹波及噪声值要求纹波及噪声要求：电压输出为满刻度时，全电压范围内峰-峰值噪声≤50mV。（2）、按照下图，额定输出电压时，选择合适的负载，使输出功率在规定的功率范围内。测量纹波及噪声，应当符合规定的要求。电源电源标准表（纹波测量）（标准表（纹波测量）（噪声测量）令值令值纹波及噪声的测量接线示意图5.2整体测试结果及分析（1）基本测试序号设定值显示值误差纹波1V1.0020V合格≤10mV1010.010V≤10mV2020.010V≤15mV100100.05V≤20mV100.5100.55V≤20mV200200.08V≤20mV300300.10V≤20mV电压测试数据表（2）稳定过程系统在刚开启电压输出时，会存在一定误差，输出电压的有些不稳定。但是通过硬件检测反馈调节，同时主控制器会对其进行控制，使系统再次稳定，能够在短时间内达到精度要求。经过一段运作时间后，系统进入稳定状态，可靠稳定运行