数控直流电流源设计

数控直流电流源设计（精选7篇）

数控直流电流源设计 篇1

在电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。相对于电压源, 电流源具有抗干扰能力强, 信号传输不受距离影响, 能够区别零信号与断路故障等优点。本文设计的数控直流电流源输出电流在20mA～2000mA可调, 输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、快速调整、参数具有掉电保护等功能。硬件电路采用ADuC831为控制核心, 利用闭环控制原理, 加上反馈电路, 使整个电路构成一个闭环, 在软件方面主要利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。

1、系统设计方案

1.1 设计要求

(1) 交流输入200～240V, 50Hz;输出直流电压≤10V。

(2) 可设置并显示输出电流给定值, 输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10 mA;

(2) 具有“+”、“-”步进调整功能, 步进≤10mA;

(3) 改变负载电阻, 输出电压在10V以内变化时, 要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1%+10 mA;

(4) 纹波电流≤2mA;

1.2 总体方案设计与论证

1.2.1 设计思路

基于题目的基本要求, 可以采用图1所示的方案。系统主要由控制器、电源、V/I转换和电流检测等电路模块组成。控制器模块实现数码管显示、A/D和D/A转换、PID调节, 控制电压输出等功能。V/I转换电路自身可以构建电流负反馈, 以副控回路形式对负载电流进行快速调节;同时, 负载电流经过A/D反馈给单片机系统, 借助于PID算法则以主控回路形式对负载电路进行精确控制。此系统实际上是一个双闭环系统, 分别由纯硬件和单片机系统实现内环和外环的控制, 确保负载电流是一个恒流源。电源模块采用220VAC供电, 向本系统提供+12V、-12V和5V电源, 使用其中的12V为负载电流输出回路供电。使用康铜丝绕制取样电阻, 具有良好的散热特性和稳定性, 使用AD620仪表放大器对取样电流进行放大, 具有较好的抗扰能力。V/I转换电路的放大器选用LF353, 使用TIP142达林顿管作为电流输出级, 简化了输出回路的设计, 同时可以提高电流输出能力。系统核心器件为ADuC831, 其内部集成了12位A/D转换器和12为D/A转换器, 为精确控制输出电流提供了硬件基础。

1.2.2 方案的论证与比较

电流源的设计方法通常有两种:第一种是单闭环控制, 利用普通的C51单片机、D/A转换器和V/I转换电路来实现, 单片机通过D/A转换器仅为V/I转换电路输出电压值, 仅由V/I电路实现电流闭环控制。第二种方法是双闭环控制, 即利用单片机系统采集负载电流, 通过PID计算, 并将结果输出给V/I电路, 实现外闭环控制, 结合V/I电路的内环电流控制, 可以更精确地控制负载电流, 使其具有优良的恒流特性。

(1) 单闭环控制方案

系统框图见图2。

在这种实验方案中, 微处理器通过控制D/A的输出直接调控电流大小, 由于无数字PID调节, 恒流特性欠佳, 量程范围小等问题, 尤其在需要高精度、宽量程的电流输出时达不到要求。一般MCS51单片机要添加D/A转换、看门狗等电路, 需要对芯片的I/O口进行扩展, 系统也比较复杂, 本方案不可取。

(2) 双闭环控制方案

在传统电路设计的基础上, 利用控制系统中反馈与控制原理, 给定电路加上反馈电路, 使整个电路构成一个闭环, 软件上利用PID算法来实现对输出电流的精确控制, 就称作双闭环控制。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。图3是该方案的一种参考设计框图。实际设计时可使用高集成度MCS51单片机 (如ADuC800系列单片机) 来简化设计。

1.3 系统组成

经过方案比较与论证, 最终确定用双闭环控制方案, 但选用和MCS51兼容的ADuC831作为系统的核心处理器, 系统的组成框图如图4所示。

图中MAX232为通信串口驱动电路;负载电流经过康铜丝取样和AD620放大后送入ADuc831的模入通道0, 实现对负载电流的采集。根据射雕电流值和实测电流值, 进行PID计算, 结果通过ADuC831的DAC通道0输出0～2.5V电压, 再经LM358放大和驱动后供给V/I电路。整个系统采用自制的线性电源, 可以降低电源的开关噪声。

2、系统测试与结果

1.1测量所用仪器列表说明

2.2 测量方法

用万用表电流测试:把万用表置为20A电流档串联在电路中, 调节电流增大或减小键, 观察电流实际测量值, 给定值与万用表显示值, 看是否符合题目设计要求。如不满足要求, 首先整定PID, 然后调节硬件电路。

2.3 测试结果

(1) 输出电流稳定度

设定值和实测值如表1所示。

(2) 负载特性

设定电流位2000mA, 负载电阻从3欧姆变化为1.5欧姆, 电流变化值在2mA内。

(3) 纹波测量

输出电流1000mA, 电阻为3欧姆, 使用低频晶体管毫伏表测量所得的纹波电压伪0.52mV, 说明纹波电流小于0.2mA。

3、结论

本系统的功能指标已完全满足要求, 并且增加了参数存储、任意步进等功能, 使系统功能更加完善。

摘要：本设计采用高集成度单片机ADuC831作为控制核心, 使用内部A/D转换器和仪表放大器完成了负载电流的取样和采集, 借助于数字PID算法和内部D/A转换器, 通过V/I转换电路对负载电流进行自动调节和恒流控制。系统采用双闭环控制方式, 内环由V/I转换电路实现电流负反馈控制, 外环由单片机系统根据负载电流实现数字PID控制。此系统具有良好的电流设定值跟随特性、恒流特性和控制精度。实际测试结果表明完全满足指标要求, 具有精度高, 响应快速, 输出范围较宽等特点。此外系统可以设置PID参数和电流输出默认值, 参数具有掉电保护功能, 可广泛应用于各电子产品中。

关键词：双闭环控制,数控直流电流源,PID算法

参考文献

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数控直流电流源设计 篇2

以数控电流源为研究对象, 根据开关电源的基本原理, 为提高稳定度, 在斩波电路的前一级再增加一级稳压电路, 并且采用两个斩波电路同时工作, 叠加后的电流更加稳定, 能够提高输出电流的强度。选用专用的PWM调制芯片与单片机相结合的方式来控制MOSFET开关。利用隔离性电流传感器将输出电流的大小转换成对应的模拟信号, 分别传送至WM集成芯片及单片机中, 构成双反馈调节系统, 提高系统的稳定性。

1 电路原理

1.1 总体设计方案

本次设计是以开关电源的原理为设计基础, 并在此基础上进行改进, 以提高电源的精度和稳定性为目标, 其系统的总体原理如图1所示。

1.2 整流滤波稳压电路

为滤除交流电源线上的干扰, 同时避免向外界发出噪声, 在电源的输入端加入了EMI滤波电路, 能有效地抑制电路中的串模、共模干扰, 再经过稳压电路的稳压处理, 基本避免了输入端对电路的影响。整流稳压电路原理如图2所示。

1.3 PWM调制波与斩波的电路设计

本设计是由SG3525芯片实现PWM自动调节, 其电路原理如图3所示。根据SG3525的资料可知, 由引脚端5外接的电容CT值和引脚端6外接的电阻RT值来确定其输出频率, PWM调制波的频率为f=1/ (0.7CTRT) , 将频率设定在100kHz附近, 取C5 (CT) =3.3nF, W3 (RT) =10kΩ的可调精密电位器。

为降低输出电流的纹波系数, 采用两个MOS-FET开关管IRFP9140构成斩波电路, 并由两个占空比一致、相位相差180°的PWM信号来驱动, 对后面的储能电感进行充电。由图4的波形可知, 当两路相位差为180°、大小一致的电流相叠加输出时, 其输出电流的纹波系数要比使用单个斩波电路时的系数小。

斩波与滤波稳流电路原理如图5所示。续流二极管选用MBR7545, 在输出端并联一个470uF/60V的电解电容储能, 同时, 并联一个高频电容来滤除高频成分。

1.4 隔离型电流检测电路

隔离型电流检测电路是以HCNR200型线性光电耦合器为核心器件, 由两片高精度仪器运放OP27与其他一些辅助原件组成, 具有精度高、转换速度快、稳定性好的特点, 而且可以避免磁补偿式电流传感器在mA级小电流检测时的非线性失真情况, 其电路原理如图6所示。

1.5 单片机模块

如图7所示, 单片机最小系统采用ATS 89S8252系统。AT89S8252单片机主要完成设定值的按键处理、对SG3525给定量的输出及对输出电流值的采集与数值显示。A/D转换器选用ADS7841芯片, D/A转换器选用DAC1208芯片, 其转换精度均达到12位, 能够满足设计需求, 并由AD584芯片提供基准电压。

键盘的作用是实现对输出电流值的任意设定, 显示电路主要作用是对给定值和输出值进行显示。由于本设计输出的电流最大为2 000mA, 因此, 在设计中采用了4个共阴数码管, 软件采用动态扫描的方式进行显示。

1.6 系统软件设计

本系统选用的主控器件是单片机, 单片机软件包括主程序、A/D转换子程序、D/A转换子程序及键盘显示等程序。软件采用汇编语言编写。

本设计的主程序包括:A/D转换子程序、D/A转换子程序、键盘显示子程序以及过流保护子程序等, A/D转换子程序的作用是将输出电流对应的电压信号的模拟量转换为数字量后送给单片机, 通过单片机的软件进行运算, 再由键盘显示子程序, 得出当时的电流值。

用户设定的恒流值通过D/A输出子程序转化成模拟信号的给定值输送给PWM控制器。键盘与显示程序中采用动态扫描的方式驱动LED, 而且在每一个主程序周期中都会扫描键盘一次, 查看是否将有效按键按下, 再根据按键状态进行相应的跳转。主程序流程如图8所示。

2 仿真结果

本次设计的目的是得到稳定的直流电流, 因此, 对主电路进行仿真, 并检测输出电流是否为恒流, 仿真原理如图9所示。

图9中利用两个信号源代替两个占空比一致、相位相差180°的PWM波, 对MOSFET进行驱动。利用18V直流电源代替输入电压, R5为负载, 流过R5的电流即为输出电流, 再选定扫描类型为Time Domain, 设置start saving data为5 ms, run to为5.05 ms, 步长为0.1us, 得到仿真波形如图10所示。

由仿真结果可知, 该方案得到的输出电流与图4中iL1 (t) 、iL2 (t) 、iO (t) 的理论波形图基本一致, 因此, 该方案可达到本次设计的目标。

3 结语

本设计采用双闭环控制系统, 大大提高了输出电流的稳定, 通过PWM芯片具有的自我调节功能实现对系统输出的控制, 单片机还可利用软件算法来调节输出电流。其中DC/DC变换是本设计的核心, 采用非隔离的斩波电路实现稳定输出, 并利用两个斩波电路共同工作来提高输出电流, 对电流的稳定也具有很好的效果。本设计所提出的设计方案简单易懂, 便于实现且所需费用较低, 具有很高的性价比。当然, 本设计也有一些需要改进和提高的地方, 还可以更加全面的利用单片机具有的一些功能, 在电流的精度方面也可以实行进一步的改进。

摘要：针对目前数控电源存在的输出精度不高、工作状态不稳定的缺点, 设计以单片机ATS89S8252为核心部件, 由键盘、显示、DC/DC变换、A/D及D/A转换、I/V转换等模块组成的恒流源。采用双反馈调节系统及PWM集成芯片, 自动调节单片机, 实时地将预设值和检测值进行比较并调整, 提高输出精度。仿真结果表明:采用此方法具有较高的控制精度。

关键词：直流电流源,PWM控制,A/D转换器,AT89S52,闭环控制

参考文献

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数控直流电流源设计 篇3

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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数控直流电流源设计 篇4

从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持,而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平,即提高一个国家单位能耗的产出水平,具有举足轻重的作用。在电源种类繁多和技术的多样化中,不断地提出更多、更高、更先进的要求来迎合当今社会时代的步伐。电源设备是电子仪器的一个重要组成部分,通常有直流电压源、电流源、交流电压源,电压源等。随着信息时代的飞速发展,电源设备也逐渐向数字化方向发展,便有了数控直流电流源的研究方向[1,2,3]。

数控直流电流源是一种低纹波、高精度并当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性、输出可预置的数控直流电流源,它是现代科学研究和生产的需要,也代表着直流电流源发展的方向,而且得到了越来越广泛的

1 设计任务要求

在此设计并制作出一款数控直流电流源[5]。其原理示意图如图1所示。

具体要达到的技术指标为:

(1)输入交流为200~240 V,50 Hz;输出直流电压≤10 V。

(2)输出电流范围:20~2 000 m A;

(3)可设置并显示输出电流给定值,要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的2%+1 m A;

(4)具有“+”、“-”步进调整功能,步进≤2 m A;

(5)改变负载电阻,输出电压在10 V以内变化时,要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的2%+1 m A;

(6)纹波电流≤1 m A。`

2 系统总体设计

本系统采用STC89C52[6]单片机作为整机的控制部分,通过键盘改变或设定数字量,经D/A转换后产生相应的电压值,从而控制恒流源电路;为了能够使系统具备检测实际输出电流值的功能,可以在输出回路上串联取样电阻,将实际输出电流转换成电压,并经过A/D进行模数转换,用单片机实时对电压进行采样,然后进行数据处理及显示[7]。此系统比较灵活,采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制,使系统硬件更加简洁、灵活,各类功能易于实现,能很好地满足性能指标的要求。具体框图如图2所示。

3 各部分模块电路设计

3.1 键盘与显示电路

键盘电路和显示电路由8255驱动[8],如图3所示。显示部分采用共阳数码管动态扫描方式,在程序控制下,可以显示输出电流和采样电流;键盘采用矩阵结构,有:显示切换键、后退键、加1键、减1键、确认键、0~9数字键入键等。

3.2 电源电路

±15 V电源电路由输出电压极性不同的集成稳压器MC7815,MC7915构成,如图4所示。

图4(a)中4个1N5408组成整流桥,可以把交流电转换为直流电,C1,C2,C3,C4为大容量滤波电容,C5,C6,C7,C8为高频滤波电容,它们用于抑制芯片自激,减小高频噪声。

两种芯片输入端分别加上18 V以上的输入电压,输出端便能输出±15 V的电压,R1,R2,R3用于调整集成稳压器MC7815输出端的电流平衡。图4(b)所示,+5 V电源电路由MC7805芯片构成,C9为大电容用于滤波,C11,C12用于抑制输出噪声[9]。

3.3 电流源电路

电流源电路由OP07运算放大器和输出三极管组成,如图5所示,其基本控制原理是:

式中:k是k=(R1+W1)/W1;Va是单片机内部数字量所对应的模拟电压;Io是输出的电流。由此可见,当R1,W1,R0,R3,W1,R2都确定后,那么Io由Va惟一的决定,与输入电压和负载都无关。也就是说,Io由单片机的数字量决定。这样,就实现了数控恒流电源。

3.4 电流采样电路

为了能够对输出电流的进行实时的观察,必须在输出回路上要有采样电路,图5中Rx就是采样电阻,Vx就是采样得到的电压,经过OP07放大以后的电压为Vc,此电压经A/D转换后送到单片机,经处理后进行显示,这样就实现了对输出电流的显示。由图可知:

4 软件系统设计

软件部分是实现系统功能的核心,软件的设计要兼顾功能的实现,同时也要考虑操作的方便性,体现人性化操作,要提示尽量详细的信息,并要有适当的保护功能,如规定输出电流最大2 000 m A,则键盘输入的数字量不要超过2 000 m A,以免过载烧掉功率管等,软件部分由以下几个大的模块组成。

主程序要完成中断系统、定时器、用户单元的初始化工作,其主要任务是进行键盘扫描和完成显示。其具体流程如图6所示。定时器中断程序的任务是完成A/D的采样(采样频率),同时完成闪烁等功能,中断程序流程如图7所示。

5 系统测试

由表1测试结果可看出,本系统达到了以下两项指标:

(1)输出电流范围:20~2 000 m A,并且线性良好。

(2)可设置并显示输出电流给定值,输出电流与给定值偏差的绝对值不大于给定值的2%+1 m A;

由表2测试结果可看出,本系统达到了下面的指标:具有“+”、“-”步进调整功能,步进≤2 m A;

由表3测试结果可看出,本系统达到以下的指标:改变负载电阻,输出电压在10 V以内变化时,输出电流变化的绝对值不大于输出电流值的2%+1 m A;由表4测试可看出,本系统达到了以下的指标:纹波电流≤1 m A。

通过表1~表4可知,该系统各项指标都达到了预定的要求,并且在软件管理上本系统实现了人性化、智能化管理,具体如下:键盘输入均有短音提示,数据采用移位输入,符合人们操作习惯;输入数据时,处于闪烁状态,可以用退格键取消刚输入的数据,按下“确认”键后,数据输出,同时停止闪烁;数据输入最多4位,输入第5位后,会有长音提示,提醒操作人员;按下“确认”键时,如果输入数据超过20~2 000 m A(系统指标规定),会有长音提示,提醒操作人员,同时数据无效(不会输出)。当+1,-1操作时,当数据超过20~2 000 m A,同样会有长音提示,以提示操作人员,此时数据无效(不会输出)。

6 结论

系统输出实际测试结果表明,本系统输出电流稳定,不随负载和环境温度变化,输出电流误差范围±5 m A,输出电流可在20~2 000 m A范围内任意设定。

经测试,本系统稳定性好、精度较高、操作简单、人机界面友好。在科学研究和设备生产中,能够广泛应用到这种可靠性高、操作简单的数控电流源,不仅能够提高设备的性能,同时能够缩短研发周期,本系统具有较高实用性[10]。

参考文献

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[9]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2003.

等离子切割机直流电流源的设计 篇5

金属切割包括热切割和冷切割,热切割包括火焰切割机、等离子切割机和激光切割机,等离子切割机目前已经处于精细型、 高精细型等离子切割加工时代,切割截面斜口在2度以内,以美国Hypertherm HPR260[1]、伊萨EPP - 200为代表。等离子切割机电源部分历经三次技术革新: 硅整流式直流电源、晶闸管整流式直流电源、逆变式( 20 k W以下)[2]与BUCK( 20 k W以上) DC DC直流电源[3,4],其中逆变式与BUCK DC - DC直流电源产生的切割质量最好,综合效果最佳,是目前发展的主流,适合输出直流电流130 A→260 A→400 A…→1 000 A,输出功率等级由22 k W→175 k W。

本文设计和实现一种基于两级BUCK变换器输出并联、支持输出直流电流260 A的等离子切割机电源并给出实测结果。

1电路拓扑与工作原理

1.1电气要求

等离子切割机系统框图如图1所示,其中直流电流源功率电路以及控制策略决定着切割电流的品质。

等离子切割电源为直流电压 - 直流电流的DC - DC变换器。 等离子切割原理是: 利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属部分或局部熔化( 和蒸发) ,并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口[5]。

以260 A输出直流电流的等离子切割电源为例,电气参数如下:

输入交流电压: 三相( 380 ± 15% ) V ;

输出直流电流: 260 A ;

输出空载电压: 310 V;

工作电压: 150 V ~ 170 V,需要采用降压变压器( V/VV) : 380 V /220 V,联结组别: Y / Y△;

额定功率因数: 不低于0. 92;

持续工作率( 45. 5 k W,40 ℃ ) : 100% ;

电磁兼容: EN61000 - 2 - 2 /12。

等离子切割电源的输出伏安特性呈现出明显的下垂特性,如图2所示,在设定切割电流附近,输出电压相对输出电流的变化率非常大,表现出明显的直流电流源特性。

1.2电路拓扑

支持大功率和高品质输出电流的DC - DC变换器首选方案是: 独立电压供电、输出并联、多级交错和交错驱动[6,7]。其中, 逆变式等离子切割电源的功率电路如图3所示,支持小功率输出。BUCK等离子切割电源的功率电路如图4所示,支持大功率输出[8]。

在图4中,“1”代表第一级BUCK变换器,输入直流电压ui1, 输出直流电流iL1。“2”代表第二级BUCK变换器,输入直流电压ui2,输出直流电流iL2。

在图3和图4中,iL1与iL2合成输出切割电流io,根据切割工件种类和厚度,在几十安培到260 A连续可调。“3”代表降压变压器。“4”代表切割工件和割炬以及引弧装置。

1.3控制策略

BUCK等离子切割电源的控制任务是直接控制输出电流( 切割电流) ,闭环控制结构如图5所示,其特点是: 每级BUCK变换器独立控制,控制器为变速PI调节器,控制器的输入为电感电流给定值与采样值之差,当总给定电流大于130 A时,每级给定值为总给定电流的1 /2,有利于两级变换器之间均流。当总给定电流小于130 A时,启动其中一级BUCK变换器,做到一备一用,两级轮流使用。采用载波移相驱动技术,有利于均流和改善电流纹波。

变速PI调节器的原理是: 积分系数和比例系数为输入偏差的函数。比例系数关系: 偏差大时,比例系数较大,可以加速响应; 偏差小时,比例系数较小,有利于稳定。积分系数关系: 偏差大时,降低积分系数; 偏差小时,增大积分系数,可以防止积分饱和[9]。

以变速积分系数为例,设定f[e ( k) ]为e ( k) 的函数,当e( k) 增加时,f[e( k) ]减少,反之增加。f[e( k) ]与e( k) 之间可以为线性关系或非线性关系,可以设定为:

f [ e ( k ) ]的取值范围为[ 0 , 1 ]之间变化,积分速度在之间变化 。 考虑比例系数为e ( k ) 的函数,则变速积分PI算法为:

BUCK等离子切割电源控制系统还可以采用图6和图7所示闭环控制结构,其特点是: 两级BUCK变换器统一控制,得到总控制量,控制器为变速PI调节器。图6增加了均流环节,对两级BUCK变换器输出电流的差进行变速PI调节器,得到纠偏量,总控制量与纠偏量进行加减法得到每级BUCK变换器最终控制量。

图7增加了自动均流环节,控制量乘以移相后的两路载波后,与各自输出电流相比较,得到脉冲上升沿,置位RS触发器,与载波同步的窄脉冲信号复位RS触发器,RS触发器输出脉冲信号,用于驱动相应的斩波开关。

2仿真分析

根据图4的功率电路和图5、6、7的闭环控制结构,利用MATLAB / Simulink建立了BUCK等离子切割电源的仿真电路进行仿真分析。输出切割电流260 A时的仿真电路参数: 三相输入交流电压380 V,三相降压变压器380 V/220 V,每级BUCK变换器最大输出直流电流130 A,整体最大输出直流电流260 A,输出直流电压150 V,纹波电流峰峰值不大于10 A,开关频率10 k Hz, 平波电感130 A/2 m H,网侧交流电感为0. 5 m H,网侧交流电容为2. 2 μF,整流滤波电解电容为4 × 6 800 μF/450 V。等离子切割机要求上电结束后启动DC - DC变换器,因此仿真时可以为电解电容预置初值311 V。

当输出直流电流为260 A时,输出直流电压与电流的仿真波形如图8所示,每级BUCK变换器输出电流的仿真波形如图9所示。每级输出电流平均值相等,各级纹波峰峰值不大于7 A,总输出电流纹波峰峰值仅为1 A左右,电流响应时间为1. 2 ms。网侧交流电压与电流的仿真波形如图10所示,网侧功率因数接近于1。

3实验验证

根据图4成功开发出全数字等离子切割机电源系统,进入了现场实测 阶段。 等离子切割 机电源部分 的实测设 计参数与仿 真参数基本相同,功率电路采用 模块化设计,便于拆卸, 单桥臂IGBT功率模块的 型号SKM300GB063D, 驱动器采用HCPL - 316J,控制器采用F28335。开关频率为10 k Hz,采用每隔半 个开关周期 更新一次 数据的PWM发生方法。

当输出直流电流260 A时,输出电流纹波峰峰值不大于5 A, 电流静差小于2 A。

4结束语

高精度宽范围数控电流源模块设计 篇6

直流电流源是一种能向负载提供恒定直流电流的电源装置, 具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流阻抗低但等效交流输出电阻却很大等特点, 已作为一种必备的电子设备具有广泛的应用[1]。

在航空控制中, 存在着大量电机设备, 如力矩马达、电液伺服阀等, 这类负载对电流源的要求不同于一般电流源电路, 一般的直流电流源往往只能固定输出一种电流值或几档电流值, 同时输出范围小, 不便于通用[2]。

为此, 本文从工程应用出发设计了电流源模块, 具有以下功能特性:

(1) 输出电流范围为 (-200-+200) m A;

(2) 在开环控制模式下, 电流输出误差不大于1%, 满足通用的使用要求;

(3) 模块设计24路电流输出通道, 各通道根据使用要求可灵活配置;

(4) 各电流输出通道具有自测试功能, 便于系统短路、开路故障的检测。

1方案设计

模块由可编程逻辑控制电路、D/A转换电路、压控恒流源电路和电压监测保护电路四部分组成。上位机处理器设置电流源输出值, 通过局部总线传输相应的数字信号, 可编程逻辑解析处理器的命令, 通过D/A进行数模转换控制压控恒流源电路输出电流, 输出的电流再经过精密采样电阻转换为电压信号, 送入A/D转换将信号反馈给处理器。

本模块中关键电路是压控恒流源电路, 通常设计的压控恒流源电路是采用国外集成芯片, 此类芯片其输出电流值较小, 成本相对较高[3]。

2硬件设计

2.1 D/A输出电路

D/A输出电路将处理器控制命令转换为 (0~+10) V直流电压信号输出, D/A芯片选用ADI公司的AD664芯片, AD664芯片可同时产生四路独立控制的电压输出, 输出精度为12位。

2.2压控恒流源电路

本文所设计的压控恒流源电路如图1所示, 电路分为负电流输出电路和正电流输出电路两部分。

2.2.1负电流输出电路

负电流输出电路由运算放大器N1、P沟道场效应管V1、N沟道场效应管V2、基准电压源和精密电阻R1-R3组成。电路中N1A运算放大器与场效应管V1组成负反馈跟随电路, N1A运算放大器的同相输入端连接5V基准电压源, 根据运算放大器输入正、负端虚短特性[4], N1A运算放大器的同相输入端电压等于反相输入端的电压, 同时有P沟道场效应管V1的源极与运算放大器N1A的反相输入端相连, 则流入P沟道场效应管V1源极的电流如下:

式中:

Vref——5V基准源电压, V;

R1——电阻值, 。

IV1S——流入场效应管V1源极的电流, m A。

场效应管V1工作在放大状态下, 则有漏极电流近似等于源极电流, 即:

运算放大器N1B和电阻R2、R3和V2构成镜像电流源电路, 由运算放大器输入正、负端虚短特性, N1B运算放大器同相端和反相端的电压差为零, 所以电阻R2上的电压降等于电阻R3上的电压降, 而流过R2电阻的电流为IV1D已确定, 流过R3电阻的电流由R2和R3的比例可求得:

式中:

IR3——流过电阻R3的电流, m A;

R2, R3——电阻值, 。

通过功率管V2输出的电流源等于流过电阻R3的IR3, 其电流方向为从地向-15V电源流动, 对外输出为负电流, 所以对外输出的电流Iout1等于:

2.2.2正电流输出电路

正电流输出电路由运算放大器N2、P沟道场效应管V3、V4和电阻R4-R6组成。电路中N2A运算放大器与场效应管V3组成负反馈跟随电路, N2A运算放大器的同相输入端连接D/A芯片的输出端VIn, 其电压输出范围为 (0~10) V, 根据放大器虚断、虚短特性, N2A运算放大器的同相输入端电压等于反相输入端的电压, 同时有P沟道场效应管V3的源极与运算放大器N2A的反相输入端相连, 则流出P沟道场效应管V3漏极的电流如下:

式中:

Vin——D/A输出电压, V;

R4——电阻值, ;

IV3S——流入场效应管V3源极的电流, m A。

根据D/A输出电压范围为 (0~+10) V, 通过公式4可计算IV3D流入电流为 (0~1) m A, 场效应管V3工作在放大状态下, 则有源极电流近似等于漏极电流, 即:

运算放大器N2B和电阻R5、R6和V4构成镜像电流源电路, 由虚短定理, N2B运算放大器同相端和反相端的电压差接近零, 所以采样电阻R5上的电压降等于电阻R6上的电压降, 而流过R5电阻的电流为IV3S已确定, 流过R6电阻的电流由R5和R6的比例可求得:

式中:

IR6——流过电阻R3的电流, m A;

R5, R6——电阻值, 。

流过电阻R6的IR6通过功率管V4进行电流源输出, 其电流方向为从+15V电源向地流动, 对外输出为正电流。对外输出的电流Iout2等于:

2.2.3总电流输出

电路对外输出的电流为负电流输出电路和正电流输出电路两部分输出的和:

根据公式 (9) 计算对外输出电流的控制字和输出电流值关系, 在控制字输出0x000H-0x FFFH时对应输出电流 (-200~+200) m A范围。

2.3电压监测保护电路

电压监测是在在电路中设置有两个电压监测点, VA和VB, 通过计算VA和VB之间的电压差, 可以计算出通道流过外部负载Iout的电流大小, 同时监测VA和VB的电压值, 可以检测出电路的开路和短路状态。

外部线路开路时, 输出电流Iout为0m A, 所以VA和VB的电压值将相等, 同时电流源无法在开路状态工作, VA和VB点的电压值将被抬高到芯片的供电电源电压。

外部线圈短路时, VB点电压将为0V, 同时VA=Iout×R7, 即A点电压等于流过检测电阻的电压值。

3可编程逻辑设计

可编程逻辑芯片完成以下两部分功能:

(1) 根据处理器命令完成D/A芯片电压输出设定, 对模块内所有D/A芯片进行地址选择和控制, ;

(2) 采集监测保护电路的回采电压, 控制A/D芯片进行周期采集, 将采集值存储到双口存储器内。

模块可编程逻辑芯片采用Lattice公司的XC9572, 此芯片使用片上系统进行编程设计, 提高了模块的开发效率, 减少了开发周期, 为后期调试和修改提供了支持。

4测试验证

测试验证与误差分析实验测试结果如表1所示, 列举其中3个通道的输出值, 测试结果稳定性好、精度高, 可满足高精度电流源的输出要求。

5结语

可编程逻辑器件、集成D/A芯片和集成运算放大器芯片构成的压控恒流源电路的使用, 使电流源模块的小型化设计问题得到了很好的解决。同时, 随着设计集成化的提高, 模块的测试性和可靠性也得到了较大提高。

参考文献

[1]李银祥, 安继明, 姚向东, 等.数控电流源[J].现代科学仪器, 2001, 4:52-54

[2]赵东波, 郭荣幸, 赵雨斌.基于单片机的数控直流电流源设计与实现[J].仪表技术, 2008, (6) :58-60

[3]肖支才, 董旭良, 鹿玉国, 等.一种新型精密电流源设计[J].仪表技术, 2015, (4) , 47-50

数控直流电流源设计 篇7

1 ADuC812单片机

ADuC812的内核中, 集成了一个高性能8位MCU, 这个MCU带有片内可再编程的非易失性闪存/电擦除程序寄存器, 并控制片内多通道 (8个输入通道) 的12位ADC。这样大大减少了带A/D、D/A转换嵌入式控制系统的开发和设计成本, 并且体积小, 电路更加简单化。

2 电源部分

本控制系统由单片机及其外围电路组成, 需要+5V、±12V、+18V三组电源。+5V为微处理电路供电电源;±12V为稳流电路电源, 给放大器供电;+18V为提供基准电源, 作为恒流源电源。

2.1 大功率电流源

改变负载电阻, 输出电压要在10V以内变化, 而输出的电流维持恒定, 考虑到后续电路电能损耗以及其他外围设备的电能损耗, 选择18V的输出电压。

设计中选用由7818及大功率三极管构成的稳压电源, 分别经过交流变压器、二极管桥式整流、阻容滤波, 最后经过三端稳压得到一稳定的18V电源。由于7818在实际工作中不能提供足够大的电流, 为了能够保证2A电流的输出, 在7818的输出端接上一个大功率NPN型的三极管, 经过其电流放大后, 得到3A (要求为2A, 1A为余量) 电流。

2.2 微处理电路供电电源

设计中采用+5V为微处理器供电, 稳压器件选用LM7805, 输入端接入0.33uF的电容器, 作用是抑制输入的过电压, 保证LM7805的输入-输出电压差不会瞬间超过允许值。而输出端一般接入0.1uF的电容器, 便可改善负载的瞬态相应, 但是为了减小纹波电压, 有时在稳压器的输出端并入一只大容量电解电容器。

2.3 放大器供电电路

设计中采用±12V给放大器供电, 所采用的三端稳压器件为LM7812和LM7912。

使用电源变压器将交流电网电压220V变成要求的交流电压, 再通过桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。整流后的脉动的直流电压通过滤波电路加以滤除, 得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网的电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后, 还需接稳压电路。最终经三端稳压器LM7812和LM7912分别输出+12V、-12V电压。

2.4 恒流电路模块

恒流模块是根据带有放大环节的反馈调整型恒流电路原理制成。它由基准电压源、比较放大器, 调整单元和采样单元等几部分构成。直流电源的电压扰动所引起的电流的变化通过内部反馈得到抑制, 比较放大器需选用低漂移高增益运算放大器。调整单元决定模块的输出电流容量和主要的电性能, 本文以增强型MOS管IRF540作为调整管进行分析与设计实现恒流输出。

3 显示设计

测量和显示范围为200mA～2000mA, 所以采用4位数显示即可达到要求。本设计中采用MAX7219驱动器, 可仅用3根信号线就可以实现数据的传输与显示, MAX7219也可用来显示四数位。

4 结论

ADuC812的应用开发比较方便, 它的内核是国内技术人员都很熟悉的8051, 现有的软件都可以直接移植。由于ADuC812可通过特殊功能寄存器控制ADC、DAC、I2C等外围芯片, 故其A/D和D/A转换程序、I2C控制程序都比传统的8051加外围芯片的结构来得简单、容易。因此, 采用ADuC812作为本系统的核心芯片使设计变得简单、方便、实用。

摘要：电源是各种电子仪器设备中不可缺少的重要组成部分, 其性能优劣直接关系到电子设备的性能指标以及能否安全可靠地工作。恒流源也是电源设备中的重要组成部分, 因此设计一种性能良好的恒流源有着十分重要的现实意义。

关键词：恒流源,大功率,步进

参考文献

[1]李占师.中国电源产业的发展状况与分析[N].中国电源学会, 1995:1.

[2]王新.高精度高稳定度电流源研究[D].华中科技大学硕士论文, 1998年6月:3-4.

[3]线性电源、可控硅电源、开关电源电路简介, http://www.shek.cn/.

[4]刘书明, 冯小平.数据采集系统芯片ADuC812的原理与应用[M].西安电子科技大学出版社, 2002年:34-35.