基于单片机控制自校准数控电压源设计12.docx

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基于单片机控制自校准数控电压源设计12

3自动控制的理论基础

3.1PID理论

比例、积分、微分控制（简称PID控制）是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。

控制理论可以证明，PID控制能满足相当多工业对象的控制要求。

所以，它至今仍然是一种基本的控制方法。

一个典型的PID单回路控制系统如图3.1所示。

图中c是被控参数，r是给定值。

图3.1PID单回路控制系统

3.2PID算法

PID调节器的基本输入输出关系可用微分方程表示为：

3-1

式中，u（t）一调节器的输出信号；

e（t）一调节器的输入偏差信号，e（t）=r（t）-c（t）；

Kp一调节器的比例系数；TI一调节器积分时间；TD一调节器微分时间。

由于本系统属于一种采样控制，它只能根据采样时刻的差值来计算控制量。

因此，在控制系统中，必须首先对式（3-1）离散化。

用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：

3-2

3-3

将式（3-2）和式（3-3）代入式（4-1），可得离散的PID表达式：

3-4

式中，Δt=T一采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；e（n）一第n次采样时的偏差值；e（n1）一第（n-1）次采样时的偏差值；n—采样序号，n=0,1，2…；

u（n）一第n次采样时调节器输出。

式中的第一项起比例控制作用，称为比例（P）项，即时成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

第二项起积分控制作用，称为积分（I）项，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T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。

第三项起微分控制作用，称为微分（D）项，能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

U0是偏差为零时的初值。

这三种作用可单独使用（微分作用一般不单独使用）或合并使用，常用的组合有：

P控制、PI控制、PD控制和PID控制。

由式（3-4）可以看出，要想计算u（n），不仅需要本次与上次的偏差信号e（n）和e（n-1），而且还要在积分项把历次的偏差信号e（i）进行相加，即∑e（i）。

这样，不仅计算繁琐，而且还要为保存占用很多的内存。

因此，用式（3-4）直接进行控制很不方便。

为此我们做如下改动。

根据递推原理，可写出（n-1）次的PID输出表达式：

3-5

用式（3-4）减去式（3-5），可得：

3-6

式（3-6）可知，要计算第n次输出值u（n），只需知道u（n-1）,e（n）,e（n-1）,e（n-2）即可，比用式（3-4）要简单得多。

由于PID控制最初用在阀门和电机控制中，而式（3-4）的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把式（3-4）称为位置PID的位置控制式。

在这种控制算式中，由于是全量输出，所以每次输出均与原来位置量有关，为此，这不仅需要对进行累加，而且计算机的任何故障都会引起大幅度变化，对生产不利。

由此产生了增量式PID控制的控制算法。

所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu（k）。

把式（3-5）和式（3-6）相减，得到：

Δu（n）=u（n）-u（n-1）

=Kp[e（n）-e（n1）]+KIe（kn）+KD[e（n）-2e（n1）+e（n-2）]（3-7）

增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：

（1）算式中不需要累加。

控制增量Δu（k）的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；

（2）计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；

在本课题中，经A/D转换电路采样所得的电压信号的值是PID控制的被控参数。

4自校准数控电压源系统方案

4.1电压源的功能要求及技术指标

当输入电压在198V～242V变化时，能保持输出电压稳定，其电压调整率≤0.04%；输出电压可调且同时可以输出两路电压：

第一路输出0.01V～+11.99V，第二路输出-11.99V～0.01V，其输出电压精度为0.1%，纹波电压小于0.9mVp-p；带负载能力强，当负载电流在0~2A内变化时，其负载调整率≤0.032%；具有友好的人机对话功能，矩阵键盘能直接预置电压，由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减，步进电压为0.01V，LCD1602液晶显示器能同时显示两路输出电压和预置电压；具有过压和过流保护功能，并通过蜂鸣器报警提醒。

4.2总体方案的选取

高精度数控直流电压源的总体设计方案如图4.1所示。

控制系统的核心器件是ATmega16单片机，通过4×4矩阵键盘设置预置电压，根据当前预置电压和当前实际输出电压计算后得出当前需要的占空比，ATmega16单片机根据当前占空比值调整PWM波输出，PWM信号经无源低通滤波和比较放大电路，驱动功率放大电路，实时调整输出电压；同时，输出电压经实时采样，送入到单片机内置的10位逐次逼近型A/D转换器进行A/D转换，把模拟信号变成数字信号，单片机通过内部的运算器进行计算，将采样的输出电压与预置电压每50ms进行一次比较，利用比较的结果来调整PWM波的占空比，构成闭环控制系统，使输出电压保持稳定。

LCD1602的主要作用是显示正负输出电压和预置电压，与矩阵键盘一起实现人机交互。

当检测到系统电压过高或电流太大时，启动过流和过压保护电路工作，自动关闭输出电压，实现过压过流保护，并通过蜂鸣器报警。

图4.1系统框图

5直流电压源硬件系统设计

该电源主要由控制电路、比较放大电路、功率放大电路、采样反馈电路和保护电路等组成，如图5.1和图5.2所示。

图5-1控制电路原理图

图5.2比较与功率放大电路、采样反馈电路和保护电路原理图

5.1控制电路设计

在该数控直流电压源中，控制电路的作用是产生PWM波、进行模数转换、通过采样电路构成闭环反馈控制，其控制核心是ATmega16单片机，如图4.2所示。

下面主要介绍PWM波的产生原理与实现、采样反馈控制原理与实现。

1）PWM波的产生原理与实现

传统的数控电压源PWM波的产生是借助于UC3573、TL494和SG3525等专用的PWM芯片，通过调节给定比较电压值来输出不同占空比的PWM波。

同时需要单片机外接D/A转换芯片实现数模转换，外部电路复杂且容易受外界干扰而导致输出PWM波占空比发生意外变化。

本设计中通过设置使ATmega16单片机工作在10位快速PWM模式，仅用一片单片机便实现了数字控制输出所需占空比PWM波的功能，从而简化硬件电路且相频稳定，抗干扰能力强。

其工作原理简述如下：

10位快速PWM模式采用单边工作方式，如图4.4所示，计数器从BOTTOM计到TOP，然后又从TOP立即回到BOTTOM，这样反复的循环。

图中斜坡上的短水平线表示输出比较寄存器OCR1A和数据寄存器TCNT1的匹配比较值，PWM波产生的原理是OC1A引脚在输出比较寄存器和数据寄存器匹配时清零，在TOP变为BOTTOM时置位。

输出的PWM波频率fPWM由公式（4.1）计算：

式4.1

式中，变量N代表分频因子，本设计取1；fclk为时钟频率，取16MHz的外部晶振。

本设计将输入捕捉寄存器ICR1定义固定的TOP值，从而使PWM波的频率是固定的，通过改变其占空比来控制输出电压。

单边斜坡模式的优点是可以使PWM波的工作频率更高，从而可以减少电容、电感等器件的物理尺寸，降低硬件成本。

图4.4快速PWM模式产生原理图

2）采样反馈控制原理与实现

如图4.3所示，0～+12V采样电路直接由R43和R44分压完成，0～－12V采样电路，先经过由LM358构成的反向跟随电路反向后，再通过R48和R49分压完成。

两路反馈信号AD10和AD11分别经过A/D转换前置电路处理后送到单片机的39脚（AD0）和40脚（AD1）进行A/D转换，片内集成了8路10位的逐次逼近型A/D转换器，A/D转化输出结果如公式（4.2）所示。

（4.2）

式中，Vin为被选中引脚的输入电压，Vref1为A/D转换电路的参考电压。

10位的PWM和10位的ADC，可以使输出电压最小分辨率精度达5000/1024=4.88mV。

5.2比较与功率放大电路设计

由于运算放大器有抑制零点漂移等特点，所以采用运算放大器LF356等器件构成比较放大电路，对输入的PWM信号进行电压放大时可以抑制干扰，图4.3中的VR1、VR2用来调节运算放大器的输出平衡。

为了提高放大效率和防止交越失真，采用由达林顿管TIP122与TIP127等器件构成的推挽功率放大电路进行功率放大。

为了进一步减小放大电路的非线性失真与噪声并使输出电压稳定，本设计对0～+12V放大电路引入了电压串联负反馈回路，对0～－12V放大电路引入了电压并联负反馈回路，分别如图3.2中R34、VR3和R36、VR4所示，VR3和VR4用来调节电压放大倍数，其闭环增益如公式（3.3）所示。

（3.3）

5.3保护电路设计

过流保护电路如图3.2所示，由晶体管9015和9014等组成，VR5和VR6用来调节过流保护电流大小。

正常工作时，晶体管9015截止，集电极电平为－15V，使晶体管9014截止，输出高电平，不触发单片机的中断INT0或INT1。

当输出电流过大时，晶体管9015导通，集电极电平升高，使晶体管9014也导通，输出变为低电平，触发单片机的INT0或INT1，执行中断保护程序，使输出电压为0V并启动图3.2中由晶体管9013等器件构成的报警电路，产生声音报警。

5.4其他电路设计

辅助电源电路由220V交流电压经降压、整流和滤波后得到±18V的直流电压，经三端稳压器L7815、L7915和LM7805稳压后分别得到±15V和+5V电压，为整个系统提供稳定的工作电压。

A/D和D/A转换的基准电压Vref1由+15V电源通过TL431高精度稳压获得+5V电压。

采用4×4矩阵键盘和LCD1602液晶电路实现人机对话。

6数控直流电压源软件系统设计

当系统上电，首先对系统进行初始化处理，然后读掉电保存的数据，显示欢迎信息界面，等待键盘输入。

当按“SET”键后，相应的数据位闪烁，输入所需数据位的电压后，下一位数据位闪烁。

以此类推，输入所需预置电压后，按“ENT”键确认所需设置电压，并判断输入预置是否越界，如果没有越界，接收来自键盘的电压输入值，计算PWM的占空比、T/C1比较匹配值和更新比较寄存器OCR1A的值，从单片机的端口输出PWM波，PWM波经过滤波、比较放大和功率放大后得输出电压。

输出电压经采样电路、A/D转换后得到实测电压值c（k），将预置电压r（k）与实测电压c（k）比较，得本次偏差e（k）。

当|e（k）|<ε（ε为死区偏差）时，不调节，并通过LCD显示输出电压和预置电压；当e（k）不在死区范围时进行PID调节，计算公式如式（4.4）所示。

（4.4）

式中：

Δp（k）为输出调节量，e（k）为本次偏差，e（k-1）为上一次偏差，e（k-2）为上两次偏差，P、I和D分别为比例系数、积分系数和微分系数，经实验设定P、I和D分别取27、3和1。

由PID调节结果控制PWM波的占空比，实现电压闭环负反馈，使输出电压近似等于预置电压，系统流程如图4.5所示。

过流保护操作采用中断方式实现，在中断服务程序中进行各项报警和保护操作。

图4.5系统流程图

7电压源调试与使用

数控电压源调试与使用：

（1）焊接好后请先检查是否有短路、虚焊的现象。

（2）检查电源与地是否有短路的，无短路才可以进行下面的步骤。

（3）如电源和地正常时才可以通电检测。

（4）将变压器与控制板的电源接口按照图3.9所示接好，变压器是双14V输出，公共端在中间。

（5）通电，+15V和-15V电源指示灯亮，检测三度稳压块之7815，7805和7915输出电压是否正常。

只有电源正常才可以进行下面的步骤。

（6）给单片机烧录控制程序。

运行平台：

Atmega16cpu，16MHz晶振，开发环境：

AVRSTDIO4，程序编译软件：

Keiluvision3，编译后的可执行程序（.hex）通过到USBISP下载器和LISP_V1613.exe软件下载到芯片Atmega16中，其程序下载过程如图3.10所示。

注意熔丝配置为：

4.0V复位电压，使能复位，选择外部晶振。

（7）程序烧录完后运行指示灯闪烁。

（8）调节液晶对比度，液晶屏显示输出电压和预置电压，如下格式：

左半部份|右半部份

P输出电压值（正）|P输出电压值（负）

Y预置电压值（正）|Y预置电压值（负）

如：

P5.00V|P-11.99V

Y5.00V|Y-11.99V

（9）调节预置电压，看输出是否能达到预定的电压值。

（10）按键定义和按键的顺序排列请参见图3.11所示。

（11）若不能达到设定值，是因为PWM已经调到了最大值，这时可以用示波器观察PWM输出脚，输出占空比100%，这时请调节增益电阻VR3,VR4，使增益增大，在输出端接上10K电阻负载,设置预置电压，看是否能达到预定的电压值，若不能达到预定的值，再调节电阻VR5，VR6，

8结论

该数控直流电压源通过硬件组成的闭环反馈模式来进行稳压，电路以单片机ATmega16为控制核心，采用响应速度快、压摆率高的LF356运算放大器，提高了稳压的可靠性和抗干扰性能，采用由TIP122与TIP127构成的闭环推挽功率放大器进行功率放大，提高电源的效率。

另一方面，在软件上采用PID算法快速调节预置电压和实测电压的计算偏差，克服了传统的逐次比较累加的方法，大大提高了输出电压的时间。

经过测试，该电源的输出电压范围为-12～+12V，步进电压5mV，输出电压精度为0.1%，纹波小于0.9mVp-p，负载调整率为0.032%，电压调整率为0.04%，具有4×4矩阵按键设置预置电压，液晶显示输出电压、预置电压和过流报警等功能，为科研和工程应用提供了一个优质电源。

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（1）:

288-297

致谢

转眼之间，大学生活即将要过去，在这四年中，体味着辽东学院特有的文化氛围，感受着来自老师、师兄弟、朋友及同学的关心与帮助!

当回首往事的点点滴滴时，感激之情油然而发。

文设计是在导师×××教授悉心指导下完成。

从课题方向与设计方案的确定、硬件电路的搭建、软件设计及系统调试过程中，无不凝聚着×××老师的大量心血和亲切关怀，感谢我的导师，不仅在学术上以严谨的治学态度、深厚的理论知识、敏锐的洞察力及踏实的工作作风让我深深为之敬佩，而且以无私的精神、平易近人的做人态度也时时感染着我，更是在日常生活上给我悉心关怀，在此谨向×××老师致以衷心的感谢和深深的敬意!

另外我还要感谢我的父母，在各个方面给我无微不至的关心和帮助，在学业上一直以来对我的支持和理解!

最后，再次对关心帮助我的老师、同学、家人表示衷心的感谢!