数控直流电流源.docx

1、数控直流电流源数控直流电流源（F题）作者：张见闻 刘卓 龚翔赛前辅导老师：刘志强 文稿整理辅导老师：尹仕摘 要基于反馈控制思想，以微控制器为核心，设计了一数字式直流电流控制系统。系统由单片机、A/D转换器、D/A转换器和功率放大器组成。单片机通过D/A转换器来控制功率放大器输出电压，通过取样电阻和A/D转换器回检负载电流，采用积分控制方法，调节电流输出。该系统输出电流误差1mA，在1mA允许误差下输出电流范围为10mA2A。AbstractA digital DC current control system is designed based on the Feedback Control

2、Method with the MCU as the core. The system is composed of MCU, A/D converter, D/A converter and power amplifier. The MCU controls the output voltage of the power amplifier according to the D/A converter, gets the value of output current according to a sampling resistance and the A/D converter, and

3、employs the Integral Control Method to adjust the output current. The output current error of the system is less than 1mA, and the output current is able to range from 10mA to 2A with the error within 1mA. （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

4、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

5、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

6、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

7、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。综合考虑，本设

8、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

9、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，

10、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

11、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

12、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。

13、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。本系统的两个电源都在输出端进行了三极管有源滤波。 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

14、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。 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。 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

15、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 ( Agilent 34401A )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。 20200mA 校准设置20200mA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。 2002000mA 校准设置2002000mA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