数控直流电流源Word格式文档下载.docx

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AdigitalDCcurrentcontrolsystemisdesignedbasedontheFeedbackControlMethodwiththeMCUasthecore.ThesystemiscomposedofMCU,A/Dconverter,D/Aconverterandpoweramplifier.TheMCUcontrolstheoutputvoltageofthepoweramplifieraccordingtotheD/Aconverter,getsthevalueofoutputcurrentaccordingtoasamplingresistanceandtheA/Dconverter,andemploystheIntegralControlMethodtoadjusttheoutputcurrent.Theoutputcurrenterrorofthesystemislessthan1mA,andtheoutputcurrentisabletorangefrom10mAto2Awiththeerrorwithin1mA.

（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：

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/Re⑴

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⑴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10V×

2A=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。

综合考虑，本设计选用了集成大功率运算放大器LM12，LM12最大输出功率为80W，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

2．A/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12位串行接口D/A转换器MAX532。

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80W大功率运算放大器LM12。

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。

在这一点上，数字反馈较之于模拟反馈存在劣势，数字反馈的速度主要受限于A/D采样速度和调节算法的耗时。

而对于低速的单片机系统来讲，反馈调节的软件耗时更成为调节速度的瓶颈。

从控制理论上分析，PI调节是可以综合快速型和稳态无差性的调节方法，但是对于本系统并不适用。

原因在于，本系统采用的是51系列的单片机，而控制参数为电流，需要高采样率控制，如采用P控制，不可避免的要执行乘法运算，这将耗掉大量的CPU时间，完全丧失P控制理论上的快速性。

考虑到负载波动是一个缓慢的过程，而不是一个阶跃式的，因此软件算法应该着重考虑的是解决局部小范围精确快速调整，同时应该尽可能的简单，代码量小，耗CPU时间少。

因此，在本系统的硬件条件下，只需要进行加法运算的积分控制算法是最适合的。

同时，在软件设计上，应该尽可能优化代码，使得大部分CPU时间都可以用来做电流反馈调节。

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。

⑴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。

本系统的两个电源都在输出端进行了三极管有源滤波。

⑵电路板之间的模拟信号通过同轴电缆连接。

本系统中，电路板之间的模拟信号的连接有两处，D/A转换器提供给功放电路的输入信号和取样电阻两端输出至A/D转换器的取样电压信号。

功放电路的输入如果引入了纹波或干扰信号，通过功放电路放大后会造成很大的电流纹波，或是引起功放电路自激。

取样电压为毫伏级信号，如果不通过同轴电缆连接，极易引入干扰信号或引入漂移，干扰信号经过AD620放大后可能淹没取样电压信号，AD620放大后的信号如果纹波或漂移严重，将造成A/D采样不准确，反馈环节的不准确对于反馈控制系统的影响是非常严重的。

⑶选择功率足够大的功率放大器，高电压供电。

输出电流直接来自功率放大器，功率放大器的功率或负载容量、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80W大功率放大器LM12，并以±

30V供电。

⑷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51单片机，执行必要的输入输出和反馈控制算法。

由于51单片机的速度不高，要尽量提高反馈控制速度必须要在控制算法、程序结构和代码编写上尽量优化。

1．控制算法

前已述及，采用积分控制，算法实现简单，代码精简，执行速度快。

2．程序结构

为了让尽可能多的CPU时间来进行反馈控制，程序尽量精简结构，只完成必要的简单的输入输出。

采样控制算法放在0.5ms中断中，只进行A/D采样、比较判断和D/A输出。

键值处理放在外部中断中，显示刷新放在主循环中，以较低的刷新率进行显示刷新。

同时程序中尽量不做乘除法或浮点运算。

3．流程图

图5程序设计流程图

（四）系统测试方法与测试数据

1．测试仪器

6位半数字多用表（Agilent34401A）

大功率滑线变阻器

2．测试方法

●系统校准

将6位半数字多用表串入负载端子，选择电流档。

⑴20～200mA校准

设置20～200mA之间某一输出电流值，调节×

200档位电位器，直至数字多用表显示值与设置值误差在1mA之内。

⑵200～2000mA校准

设置200～2000mA之间某一输出电流值，调节×

20档位电位器，直至数字多用表显示值与设置值误差在1mA之内。

●电流测试

选择数字多用表的电流档，将表笔与功率变阻器串联接入负载端子。

设置给定电流值，观察和记录数字多用表的电流读数。

●负载测试

输出电压不超过10V下，改变变阻器阻值，观察和记录数字多用表电流读数。

●电流纹波测试

将数字多用表退出负载回路，仅接入负载