电流源控制策略（精选4篇）
电流源控制策略 篇1
电流源的用途很多,压控电流源因设计简单,调试方便而得到广泛应用。
压控电流源有多种实现方法。文献[1]和文献[2]采用运算放大器做输出,得到的输出电流小;文献[3]是一种比较复杂的应用;文献[4]用于蓄电池恒流充电;文献[5]采用脉宽调制控制器实现了开关恒流源。
本文采用运算放大器作为恒流元件,克服了文献[1]和文献[2]的不足,由单片机通过DA进行控制,通过A/D采样进行比较,以得到精度高、电路稳定的闭环恒流控制。
1 电压控制电流源的原理设计与分析
1.1 电路原理
电路如图1所示,根据理想运算放大器“虚短”和“虚断”的原理,可以得到:
当R>>R0、RL时,有如下近似等式:
即输出电流IL与输入电压vi成线性关系。
1.2 改进后的电路
图1所示电路要求R>>R0、RL时,(4)式才满足。将电路进行如图2所示的改进。由于理想运算放大器的输入阻抗为无限大,所以,流过电阻R0和RL的电流相等,可以得到:
由于vi是反向输入,当vi>0时,则v0′<0,IL的电流方向如图所示;当vi=0时,有v0′=v0,则流过电阻R0的电流为0。但当VDD较大时(VDD>v0),IL≠0,互相矛盾,所以要求必须vi>0。对于实际的运算放大器,当vi=0时,有v0′≠v0,且0
设运算放大器最大的输出为v0′=Vom,最大负输出为v0′=-Vom,则对应的输入电压分别为:
即:当vimin≤vi≤vimax时,才存在(6)式的线性关系。
1.3 进一步扩充电流后的电路
由于运算放大器的电流输出能力很小,一般为20m A~40m A,因此当实际应用电流比较大时,要对电路进行扩流,如图3所示。
同理,可以得到:
式中VEB是三极管发射结电压。所以,对应的输入电压范围是:
根据三极管的电流原理,设三极管的电流放大倍数为β,有:
由于受到电源VDD的限制,最大输出电流ILmax要满足:
因此在实际应用时,要根据输出电流的大小,按照(13)式、(14)式和(15)式的要求,选择合适的电阻R0、Rb和电源电压,以保证控制电压在合理的范围。
2 电压控制电流源的应用
图4所示为电池充电器中充电及控制电路的原理框图。单片机采用AT89C52,AD采用MAX195,DA采用DAC1232,采样放大是用OP177对采样电阻RS(100mΩ)上的小信号进行差分放大,负载电阻就是电池组,扩流三极管采用TIP127,压控电流源内的运算放大器采用TL082,以保证有足够大的输入阻抗。通过单片机进行置数,得到所需要的充电电流。对电流采样放大后进行比较,若电流偏大,则压控电压控制减1个LSB;若电流偏小,则加1个LSB,以实现稳定电流的闭环控制。在F3.4设备中,电流的范围是0.1m A~400m A,误差小于2%,满足了实际需要。
压控电流源的实现有很多种方法,本文所介绍的电路结构简单,理论分析明确。文中详细介绍了输出电流与输入电压的控制关系及动态范围,这对实际应用非常有帮助,这一点在充电电池的化成设备中得到了验证。
摘要：基于运算放大器原理,介绍了一种电压控制电流源的设计,分析了控制电压的输入范围和电流的输出范围,用三极管进行扩流,以满足不同的应用要求。该电路结构简单、性能稳定、可控性好、线性度高、成本低廉。最后给出了电池充电电路的应用实例。
关键词：压控电流源,运算放大器,电池,充电
参考文献
[1]钱如竹.用运算放大器构成压控电流源的研究[J].电测与仪表,2002,39(4).
[2]李盛峰,姚若河,李斌.基于AT89C51的电流源设计[J].电子设计应用,2007(3).
[3]郭继昌,李香萍,张宏涛.基于单片机控制的恒流源的设计[J].电子测量与仪器学报,2000,114(12).
[4]尉广军,朱宇虹.几种恒流源电路的设计[J].电子与自动化,2000(1).
[5]尉广军,朱宇虹,姚志敏.关于蓄电池充电器中的恒流源电路设计[J].河北工业科技,2000(4).
电流源控制策略 篇2
在航空设备研究中,常需要掌握空气气流温度的变化对设备性能的影响,可编程直流电流源就是一种按照一定规律对空气温度进行加热的专用电源设备。按照电源调整方式,直流电源分为线性电源和开关电源两种。开关电源以其功耗低、轻型化、稳压稳流范围宽且电路形式灵活多样等优点,业已成为大功率电源的首选,在电力系统、军事装备、仪器仪表与通讯设备等领域获得了广泛应用[1,2,3]。
PWM控制是开关电源的主要控制方式,通过调节开关器件的导通占空比可以方便实现输出电压或电流的精细调整[4,5,6,7]。文献[8]基于滞环PWM控制设计了一种用作扰动源的可控电流源,但滞环控制存在开关频率不固定、谐波难于滤除的缺点。文献[9]设计了一种宽输出范围的LLC谐振电流源变换器,需要精确的元件参数匹配。文献[10]设计了一种用于高饱和磁铁测磁的可编程电源,可编程输出所需电流波形,但其硬件系统复杂,且未对控制系统设计进行介绍。
本文设计了一种两路独立输出的可编程直流电流源,其输出电流的幅值和脉动形状可以按照设定参数连续调节。本电源采用整流与直流调制两级结构,并在输出电流外环的基础上引入滤波电感电流作为内环,形成一种双电流环控制策略,提高了输出电流的跟踪控制速度和平稳性,样机实验验证了电路拓扑及其控制策略的正确有效性。
2 系统设计
根据大功率可编程直流电流源系统的设计要求,电源系统主要由可编程电源主体和上位机监控系统两部分组成,电源输出电流的波形和参数由上位机设定,同时上位机实现电源输出电流的实时监测。输出电流由直流和交流两部分构成,直流部分的幅值连续可调; 交流部分的幅值不超过直流部分,波形形状可选为正弦波、三角波和方波,频率和幅值连续可调。
2. 1 系统结构与工作原理
图1 为直流电源系统的结构框图。网侧采用三绕组变压器构成12 脉波整流,有利于减小电网谐波[11]。电网电压经过降压、二极管整流和电容滤波后变为稳定直流电,作为后级斩波电路的直流输入,斩波控制电路通过串口通信接收来自上位机的电流参考信号,经过电流反馈控制和PWM调制输出期望的脉动直流电流波形。
2. 2 参数设计
2. 2. 1 变压器
为减小网侧谐波,变压器绕组采用 Δ/Δ/Y接线[12]。根据要求,直流电源的最高输出电压为60V,考虑到功率开关管约2V的压降和最大占空比为0. 9,则可求得BUCK电路的最小直流输入电压为69V。
考虑到电网电压 ± 10% 的波动,按照三相二极管桥式整流电路的输入输出电压关系,则变压器二次侧线电压有效值应取56V。因此,变压器额定电压比为380V/56V/56V。
2. 2. 2 滤波器
直流电压经斩波控制后通过LC滤波电路滤波。根据负载要求,直流电流的脉动频率为0. 01 ~30Hz,取变换器开关频率fs为5k Hz,则可保证在30Hz下每个脉动周期有不少于160 个点的平滑波形。根据纯阻性负载、额定工作电流IN= 220A、单路功率11k W的条件,可得负载等效电阻R =0. 23Ω。
为提高工作效率,本BUCK变换器工作在连续导通模式( CCM) 下,为此要求输出滤波电感( 图1中L1和L2) 满足下式要求[13]:
式中,D为开关占空比。在开关频率fs= 5k Hz、典型占空比D = 0. 5、负载电阻R = 0. 23Ω 的情况下,计算可得电感应不小于0. 012m H,实际系统中选取0. 1m H /220A电抗器。
为了限制输出电压的脉动峰峰值,输出滤波电容( 图1 中C3和C4) 应满足[13]:
式中,σ为输出电压允许纹波系数(在纯电阻负载下也为输出电流的纹波系数)。在典型占空比D=0.5、纹波系数σ=2%的情况下,计算可得最小电容为1250μF,实际系统选取1500μF/250V电容器。
3 系统建模
由实际系统简化可得系统控制结构框图,如图2所示。系统由BUCK变换器③、控制器②和包含输出滤波器在内的被控对象①三部分组成,其中,R=0.23Ω,L=0.1m H,C=1500μF。
根据线性系统理论,可得被控对象1的传递函数为:
将实际系统参数带入式( 3) ,可知被控对象的二阶传递函数为:
显然这是一个具有一对共轭复根的二阶振荡环节,即
式中,a = - 1450; b = 2136; K = 2. 9 × 107。在简化分析中,上述二阶振荡环节可等效为如下双惯性环节:
图3 给出了简化前后的传递函数伯德图。可以看出,上述等效在 ω = 2582rad /s附近有一定误差,且幅值误差在该点最大、但相位相同。因此,在设计调节器时对式( 3) 所示被控对象做等效处理,不会对系统稳定性和快速性产生明显影响。
对于控制器部分②,本系统采用PI调节规律[14],其传递函数为:
BUCK变换器③虽为系统中的非线性环节,根据采样控制理论中的面积等效原理:冲量相等而面积不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同,变换器可以等效为一个受控电压源[15],其传递函数为:
式中,D( s) 为数字控制器输出的占空比。
4 控制模式与参数设计
4. 1 单电流环控制模式
按照传统反馈控制系统的设计方法,可编程电源可以采用输出电流反馈的单闭环控制系统结构,如图4 所示。
根据控制框图,不难写出单电流环控制模式下系统的开环传递函数为:
取 τi= 1 /2582,则可将式( 6) 系统等效化为典型Ⅰ型系统,根据工程最佳设计方法,计算可得Kp= 0. 002。将实际参数代入式( 6) ,可得单电流环控制模式下系统开环传递函数为:
图5 给出了整定后系统开环传递函数的幅频和相频特性曲线。可以看出,单电流环控制模式下,由于系统特征频率的限制,系统快速性和稳定性矛盾突出。
4. 2 双电流环控制模式
针对单电流环控制无法解决系统快速性与稳定性之间矛盾的问题,本文提出采用双电流环控制模式,即引入滤波电感电流反馈作为控制内环、输出电流作为控制外环的双闭环控制模式。双电流环控制模式下系统控制框图如图6 所示。
4. 2. 1 电流内环调节器设计
由图6 可得,双电流环控制模式下电感电流内环的开环传递函数为:
与式( 6) 对比可以看出,双电流环控制模式在ω = 1 / ( RC) 处多了一个零点,拓宽了系统带宽,增强了系统稳定性。代入实际参数可得:
同样地,根据二阶振荡环节的等效模型,可将式( 8) 等效为:
根据零极点对消原则,取 τi2= 1 /2582; 取内环开环截止角频率 ωc2= ωs/5 ( ωs为开关角频率) ,则可得Kp2= 0. 007。将上述参数代入式( 8 ) ,可得电流内环开环传递函数为:
图7 为内环整定后的幅频和相频特性曲线。可以看出,电流内环的穿越频率为6240rad /s,相角裕度为71°,稳定性较好。
内环PI参数整定后,电流内环的闭环传递函数为:
利用等效模型,简化后可得:
4. 2. 2 电流外环调节器设计
根据图6,可写出电流外环开环传递函数为:
根据去大惯性环节原则,取1 /τi1= 3584; 取电流外环截止频率 ωc1= ωs/10,则可求出Kp1= 0. 9。将上述PI参数带入式( 9) 可得:
图8 为外环的幅频和相频特性曲线,比较图5与图8 可以看出,双电流环控制模式相对于单电流环,低频段增益增大,因此跟踪精度更高; 系统截止频率增大,响应速度更快; 稳定裕度增大,稳定性增强。
5 实验结果分析
本文开发了双路11k W的特种可编程直流电流源装置,功率管选用英飞凌FF450R06ME3 型IGBT,数字控制器采用TI公司TMS320F28335DSP,IGBT开关频率5k Hz,输出滤波电感0. 1m H,输出滤波电容1500μF,负载电阻0. 23Ω。
图9 给出了在平均电流100A、调制电流25A、调制频率10Hz、脉动波形为方波的条件下分别采用电流单闭环与双闭环控制时的输出电流波形。可以看出,采用双电流环控制模式时,输出电流调节时间明显缩短,振荡显著减小。
图10 给出了在平均电流100A、调制电流25A、调制频率10Hz的条件下采用双闭环控制时的输出电流波形。可以看出,输出电流可以根据需要输出方波、三角波和正弦波等不同脉动波形的电流,满足生产工艺对电源的要求。
6 结论
电流源控制策略 篇3
大功率电流源在半导体激光技术、发光二极管照明技术及国防科技领域等有着广泛的应用，同时对电流源的输出特性提出了较高的要求，而目前国内研制的大功率电流源输出电流精确度及稳定度差，功率较小，频率幅值调节性差，脉冲电流上升时间长，脉宽可调范围小，效率低等缺
本文所提出的基于串级PID控制算法的压控大功率电流源，具有输出功率大，可输出多路不同波形电流，且幅值频率可调范围大，脉冲电流上升时间短，脉宽可调范围大等优点，具有较好的通用性，可满足绝大多数技术领域的要求。用户可自由选择或设置期望的电流波形，由控制单元中信号发生模块调用波形数据库中的期望波形数据，经外围电路中的信号调理电路及自动增益控制电路进行调理、放大，由大功率电流发生电路对期望波形进行功率放大后输出。
总体方案设计
本系统由用户输入层、控制单元硬件层、控制单元软件层、外围电路层、电流输出层、上位机构成，可输出四路不大于20A的脉冲电流、方波电流、正弦波电流、任意波电流，如图1所示。用户可由用户输入层选择或设置期望的波形，由控制单元软件层中信号发生模块调用波形数据库中的期望波形数据，经外围电路层中的信号调理电路及自动增益控制电路进行调理、放大，由大功率电流发生电路对期望波形进行功率放大后输入至电流输出层。用户也可在用户输入层进行设置，对期望波形的频率和幅值进行设置，满足不同用户的需求。本系统拟设计USB/RS232等串口通信模块，方便用户将输出的电流数据及波形输入上位机;用户也可使用外部存储设备(如U盘等)通过USB/RS232接口将波形数据输入至控制单元，这样就可获得任意波形的电流。在外围电路层中采用PID控制电路，并且采用串级PID控制算法，精确控制电流输出，快速调节输出波形的幅值频率，缩短脉冲及方波电流的上升时间。
电流源控制模型的建立
串级PID控制系统[2]是改善控制质量的有效方法之一, 在过程控制中得到了广泛的应用。所谓串级控制，就是采用两个PID控制器串联工作，外环PID控制器的输出作为内环PID控制器的设定值，由内环PID控制器的输出去控制执行元件，从而对外环被控量具有更好的控制效果。为了获得高精度、高稳定度的电流输出，设计基于串级PID控制算法的大功率电流源，控制模型如图2所示。
控制模型中有两个PID控制器，PID2为内环控制器，包围PID2的环路称为内环PID控制回路，外环控制器PID1的输出控制量u1作为PID2的外给定值，而PID1处于内给定状态，包围PID1的环路称为外环PID控制回路。
串级PID控制系统的控制顺序是先外环PID控制回路(PID1)，后内环PID控制回路(PID2)。控制方式有两种：一种是异步采样控制，即外环PID控制回路的采样控制周期T1是内环PID控制回路采样控制周期T2的整数倍，因为是一般串级控制系统中外环控制对象的响应速度慢、内环控制对象的响应速度快。另一种是同频采样控制，即内外PID控制回路的采样控制周期相同。这时，由于内环回路的受控对象的响应速度较快，应根据内环回路选择采样周期。
技术路线及部分电路原理
技术路线
根据电流源的控制模型，设计本系统的技术路线，如图3所示，由控制单元控制输出四路信号，用户输入波形参数可调节波形频率，其中两路分别是脉冲波与方波信号，经过整形电路去除高频杂波，根据用户输入的波形参数由控制单元控制自动增益电路，调节波形的幅值，得到稳定精确的脉冲波形及方波波形信号。由控制单元产生的一路方波信号经过D/A转换电路得到正弦波波形信号，经过有源低通滤波(LPF)电路滤除因D/A转换后产生的高次谐波，然后控制自动增益电路，调节波形的幅值，得到稳定精确的正弦波及任意波波形信号。由控制单元输出的四路信号经过调理放大后输入至大电流发生电路，大电流发生电路由大功率驱动管、反馈电路组成，将四路信号提升为大电流并由输出接口输出，大电流发生电路采用模拟PID控制技术，并且采用串级PID控制算法，自动调节电流输出值，提高精确度与稳定度。本电流源拟设计USB/RS232等串口通信模块，方便用户将输出的电流数据及波形输入上位机;用户也可使用外部存储设备(如U盘等)通过USB/RS232接口将波形数据输入至控制单元，然后经过信号调理放大电路、大功率电流发生电路，就可获得任意波形的电流。本电流源中设计自检自校准模块，让用户在使用之前了解系统是否正常，同时，对系统进行自动校准，提高电流的输出精确度。本系统采用显示模块将输出的电流波形及数据显示出来，建立友好的人机交互界面。
基于内环PID控制的电路原理
将内环PID控制器的基本原理应用到本电流源设计中，得出基于模拟PID控制的单大功率MOS管恒流源电路如图4所示。
其中图4中：
VR为控制电压;
Vo为反馈电压;
VCC为供电电压;
Io为输出的恒定电流;
U 1A、U 1B为高速运算放大器;
R为采样电阻。
具体的电路分析如下：
基准电压VR连接到运放U1A的同相端，运放U1B控制跨导放大器的导通程度，并由此获得相应的输出电流，输出电流在采样电阻R上产生采样电压，该采样电压经过U1B放大器后作为反馈电压反馈回电压放大器U 1A的反相输入端，并与同相输入端的电压相比较，对输出电压进行调整，进而对跨导放大器的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。利用虚短、虚断的定义及相关公式，可推到出VR与Io的关系：
从而:
自检自校准模块电路原理
自检的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在错误和能否正常工作。系统参数初始化完毕后进入自检流程，控制单元给网络通信模块发送数据，通过检测反馈数据与发送数据是否一致来判断通信模块是否正常。采集各路传感器的电信号，判断传感器是否存在及能否正常工作等。若发现故障，显示屏上给出相应故障提示信息。
本电流源采用自校准技术提高测量精确度及可靠性。自校准技术包括外部校准和内部校准两部分。在本电流源中，外部校准主要是指应用零点漂移自动校准。零点漂移是造成零位误差的主要原因之一，即当输入信号为零时，输出信号不为零，且零点漂移值会随着温度的变化而变化。本电流源采用低温漂、稳定性好的测试传感器及调理电路模块器件，极大减少温度变化对本装置测试带来的影响。假设零点漂移电压为Vos，校准零点漂移电压为Vos，校准电路原理如图5。
外部校准分为以下三个步骤：
(1)切断开关S1，闭合开关S2，即在控制单元的控制下将模拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的A/D转换的输出值N0;则有
其中，K为总的放大系数。
(2)控制单元的控制下切断S2，闭合S1，将被测信号Vi和漂移电压Vos一同送入模拟量通道;此时，得到的一个A/D转换的输出值为：
通过控制单元对上面两次测量数据进行计算：
计算后输出值为N，是消去了零点漂移电压Vos的影响，真正代表了输出电压Vi的输出值。
内部校准技术是指利用更高精度的传感器进行校准，本电流源使用同型号更高精度的传感器对相同电流所产生一组校准值，作为校准表预先存储在外部存储器中。将测量数据在相对应的校准表中做插值处理，得出经过误差修正后的正确值，显著提高了测量精度。
显示屏驱动电路原理
本电流源拟采用LCD液晶屏作为显示模块，将输出的脉冲电流值以波形及数据的形式显示在LCD屏上，实现人机交互，让用户一目了然。而一般控制芯片的驱动能力比较弱，驱动电压较低，而LCD显示屏[3]的激励要求电流较大，因此，需要电平匹配电路及驱动电路，提高控制芯片的驱动能力。图6为LCD显示屏驱动电路原理图。
系统软件设计
如图7所示，其为系统软件流程图。系统上电开始工作，控制芯片复位后，进入系统初始化，完毕后进行系统自检，此时若检测系统不正常，则通过显示模块进行故障提示;否则进入波形设置界面，用户可根据需要选择并设置期望波形，系统会自动根据用户设置的参数从波形数据库中加载波形数据，然后通过
系统自动检测实际输出的电流值，与用户设置的电流值进行比较判断，若设置值与实测值的差值在一定范围±C内，则认为是准确值，通过显示模块将实测值的波形和数据显示出来，否则系统会根据用户输入的参数，自动调节电流的频率或幅值，以满足用户的要求。
结语
本文方案设计的基于串级PID控制的大功率压控电流源，具有输出功率大，可输出多路不同波形电流，且幅值频率可调范围大，脉冲电流上升时间短，脉宽可调范围大等优点，具有较好的通用性，可满足绝大多数技术领域的要求。
参考文献
[1]韩静霖, 李国峰, 张勇等.一种电压控制电流源的设计与应用[J].电子技术应用, 2008, (10) :64-65
[2]邓莉.基于MATLAB的串级PID控制系统[C].重庆市电机工程学会2006年学术会议论文, 2006
电流源控制策略 篇4
关键词：89C2051,数字电位器,恒流源,LED数码管
从电路的总体结构上来看, 该系统主要由89C2051单片机控制模块;数控电位器X9241、模/数转换器与恒流源电路部分构成数控可调的恒流电流源模块。缓冲器/驱动器7404驱动4位LED数码管组成的显示模块以及由键盘组成的输入模块等组成。
1各个模块设计方案分析
因此系统总体上由电源模块、输入模块、控制模块、 电流源模块和显示模块5大部分构成。系统主要框架图如图1所示。
1.1控制模块
该部分由89C2051单片机来实现, 如果采用高性能的专用单片机芯片实现控制, 可以很好地同时解决采样和控制显示的功能, 且高性能的单片机本身带有D/A和A/D转换, 不需另外设计, 但是专用芯片的通用性差, 使用起来比较麻烦, 且市场价格高。而本电源的设计只需要控制显示以及对数控电位器的控制, 因此, 选用小型单片机89C2051即可。并且该系统不需要与上位机通信, 所以选用2 MHz的时钟频率。89C2051的P1口每个引脚都有20 m A的灌电流能力, 该电流足以驱动共阴极LED显示器的段码显示, 因此选用通用性较好, 学习起来容易熟悉掌握, 而且市场价格低, 购买、使用方便的89C2051作控制单元。
1.2电源模块
为了使系统的各模块能够可靠、稳定工作, 必须有一个可靠的电源来供电[1]。如果采用独立的稳压电源供电。此方案的优点是稳定可靠, 并且现在市面上有各种成熟的电路可供选用, 但其缺点是系统每个模块都采用独立电源, 会使系统变得复杂, 而且还可能会影响到电路电平[2]。如采用将220 V交流电通过变压器降压, 再经过整流、滤波、稳压后, 得到稳定+12 V直流电源[3]。该方案的优点是系统相对简单, 系统间的干扰性小, 节约成本, 因此电源选择该方案。电源电路图如图2所示。
220 V的交流电压经过整流, 滤波, 稳压输出+12 V和 ± 5 V的稳压源, 为后续电路提供可靠、准确的稳压电源。设计上采用全波整流电路, 并通过滤波电容, 然后送入三端集成稳压器LM7812, 从而得到稳定的+12 V稳压电源。为了改善稳压器的暂态效应和保护微处理器分别加入了C1和C2两个电容。LM7905的作用是为了改善调零不准确的问题。
1.3电流源模块
电流源部分, 主要在于恒流源系统的设计, 是该电源系统设计的重点。在整个系统的工作过程中, 无论负载是否变化, 都需要有一个相对恒定的电流, 它的精确程度直接影响到测量参数的精确与否, 决定了系统的成败。若采用专用恒流源的话, 它的性能很稳定, 简化了电路设计的过程。但所提供的电流值是固定的不变的, 不能根据需要进行调节。而该系统设计的目的是得到电流可调的直流电源, 为了达到这一目, 采用通过改变电位器值的方法。
在此选用X9241数控电位器, 其特点是定位精度高, 不易受机械震动的影响, 并可以通过程控来实现半自动化调节[4]。而且, 数字电位器X9241的VH和VL电压窗口较宽, 因而能在许多场合取代机械模拟电位器。 X9241内部结构框图如图3所示。
共有64个离散的调节节点在每个电位器的滑动端, 并有一个滑刷控制寄存器WCR以及4个8 b的E2PROM数据寄存器。用户可直接控制WCR, 以达到改变电位器滑动端位置的目的。
1.3.1 X9241中输出电压值的等效计算方法
为了使恒流源的电流可以人为连续调节, 该设计是通过X9241可变电位器滑阻的移动而得到可连续调节的电流值。为了得到连续可调的电压参数, 可以通过X9241的2个数字电位器来配合使用, 其中一个作为粗调, 一个作为细调, 两者搭配。具体计算的等效电路图如图4所示。
根据等效电路图可得。
式中:Vret= 5 V 。式 (1) 表示设计目的, 即得到可变的直流电源。为了达到这一目的必须通过改变电位器值的方法, 即改变nthick和nthin的数值即可, 具体实现方法在软件在控制中处理[5]。
1.3.2恒流源工作原理分析
可控恒流电流源工作原理等效电路图如图5所示。
通过原理简图5可以知道, 当负载电阻R3增大时, 三极管集电极电流IC将减小, 即C点的电位值VC减小, 而C点电位经过反馈到D点, 所以D点的电位值也将下降, 根据电压比较器的工作原理可知, A点电位比D点电位高, 作比较后, 使B点电位即三极管基极电位值将增大, 通过三极管的放大作用, 又使其集电极电流IC增大, 起到稳定输出电流的作用[6]。
相反的当负载电阻R3减小时, 三极管集电极电流IC增大, 即C点电位VC增大, 而C点电位经过反馈后加到D点, 所以D点的电位值也上升, 此时, A点电位比D点的低, 通过电压比较器后, 使B点电位即三极管基极电位值减小, 通过三极管的放大作用, 又使其集电极电流IC减小, 起到稳定输出电流的作用。
1.4输入、输出显示模块
因为输入只是对输出恒流电流部分的设定, 因此输入电路相对比较简单。使用2个按钮开关作为电压调整键将与微处理器89C2051相连即可。输出用来显示设定电流和输出电流, 在这采用LED数码管显示, 驱动采用7404六高压输出缓冲器/驱动器。驱动电路图如图6所示。
1.5总体数控电位变换及恒流源电路
硬件设计图如图7所示。
2系统软件设计
主程序流程图如图8所示。键盘步进值设定子程序流程图如图9所示。
3系统测试及分析
部分测试数据如表1所示, 通过测试可得, 设计的电源能够正常工作, 键盘设定及LED实时显示输出电流工作正常, 交替显示电流给定值和实测值切换正常。 输入能提供2档“+”、“-”步进功能 (分别为10 m A普通步进和100 m A快速步进) , 非常便于使用, 在实际应用中很方便, 可以进行批量的生产, 达到实际应用的要求。
4结语
该系统基于89C2051单片机控制的数控直流电流源, 恒流源电路部分的设计中, 采用X9241数控电位器, 它具有良好的线性度、精度和温度稳定性;由电信号控制电阻变化;温度特性好, 抗冲击具有优越的环境适应性;使用寿命长, 可靠性高等优点。软件系统的设计上, 步进的调整做了复键的设计, 通过长按和短按就可以实现不同步进电流的设定, 改变了以往只能单一步进调整的思路。该系统人机交互性强、操作简单、工作过程控制灵活、可靠性高, 非常适合作为中小型电源来使用。
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参考文献
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