數字式恒流電源的研究畢業(yè)論文

1、數字式恒流電源的研究摘 要本設計以avr單片機為核心，通過a/d、d/a轉換、dc/dc變換及pid算法利用pwm技術實現了高精度的，電流輸出范圍為20ma2000ma的數控直流電流源。該電流源具有電流可預置，50ma步進。本系統(tǒng)采用單閉環(huán)負反饋pid(比例、積分、微分)算法控制，縮短上升時間，減小超調量，減小了輸出電流的偏差。系統(tǒng)采用中文lcd提供顯示支持，可同時顯示設定值，實際值以及其他相關信息。我們自行設計了15v、+12v和5v電源為系統(tǒng)供電。關鍵字：數控恒流源 avr pwm pid dc/dc轉換abstractthe paper expounds the design of th

2、e numerical controlled constant-current source.the system core is avr.the a/d,d/a,dc/dc converts and the specific arithmetic is used to carry out high precision and the current output range from 20ma to 2000ma.the source realizes that the output current can be set, 50ma adjusted step by step.this sy

3、stem adoption list shuts the wreath negative feedback pid( proportion, integral calculus, differential calculus) calculate way control, shortening to rise time, let up super adjust the quantity, let up to output the deviation of the electric current. lcd with chinese characters is used to display pa

4、rt of this system, which can show the initial value at the same time, actual value etc. we by ourselves designed the 15 vs, 12v and 5v power supplies to be the system power supplies.keywords: dc power av pwm pid dc/dc conversion目 錄第一章 緒 論- 1 -1.1 恒流源簡介- 1 -1.1.1 恒流源的定義- 1 -1.1.2 恒流源的分類- 1 -1.1.3 恒流源

5、的應用- 1 -1.1.4 恒流電源的發(fā)展過程- 5 -1.2 國內外發(fā)展現狀與趨勢- 5 -1.3 課題的意義和目的- 7 -1.4 本文所作的主要工作- 7 -第二章 理論分析及可行性方案論證- 8 -2.1 恒流電源工作特性分析- 8 -2.2 開關電源幾種電路類型- 9 -2.2.1 降壓型（buck）變換器- 9 -2.2.2 升壓型（boost）變換器- 11 -2.2.3 極性反轉升降壓（buckboost）變換器- 12 -2.2.4 cuk變換器- 14 -2.3 pwm的工作原理- 15 -2.3.1pwm控制的基本原理- 15 -2.3.2 pwm相關概念- 17 -2.

6、4 開關電源的控制算法- 17 -2.5 本章小結- 22 -第三章 電源系統(tǒng)硬件設計- 23 -3.1 系統(tǒng)硬件總體結構- 23 -3.2 工作原理和流程分析- 24 -3.3 avr控制器電路- 24 -3.4 可調電流源主電路- 25 -3.5 數據采集和數據輸出- 26 -3.6 反饋電路- 28 -3.7 人機交互接口- 29 -3.7.1 鍵盤輸入模塊- 29 -3.7.2 lcd液晶顯示模塊- 30 -3.8電源供電電路- 32 -3.9 接口及保護電路- 33 -3.9.1 接口電路- 33 -3.9.2 濾波扼流電路的設計- 35 -3.10 本章小結- 37 -第四章 軟件

7、程序設計- 38 -4.1主程序模塊- 38 -4.2閉環(huán)比較子程序模塊- 38 -4.3 電流設置子程序模塊- 42 -4.4 鍵盤中斷子程序模塊- 43 -4.5 顯示中斷子程序模塊- 43 -4.6 pwm調制子程序模塊- 44 -4.7 本章小結- 44 -總 結- 46 -致 謝- 47 -參考文獻- 48 -附錄1：數字是恒流源原理圖- 50 -第一章 緒 論1.1 恒流源簡介1.1.1 恒流源的定義所謂恒流源也稱電流源或穩(wěn)流源,即對應于一定的電壓變化所產生的電流變化趨于零,電流是一個恒定值,有很高的動態(tài)輸出電阻,具有這種特性的器件稱之為恒流源。一言以蔽之，能夠向負載提供恒定電流的

8、電源稱作恒流源。理想的恒流源其輸出是絕對不變的，但實際的恒流源只能在一定范圍內保持輸出電流的穩(wěn)定性。1.1.2 恒流源的分類按照調整方式不同，恒流源可分為直接調整型恒流源和間接調整型恒流源；其中，間接調整型恒流源根據調整元件的工作狀態(tài)不同，又可分為連續(xù)調整型恒流源、開關調整型恒流源和組合調整型恒流源；按照輸出電流的性質不同，可分為直流恒流源和交流恒流源。本文所研究的恒流源即為直流恒流源。1.1.3 恒流源的應用1. 在led驅動中的應用led由于環(huán)保、壽命長、光電效率高等眾多優(yōu)點，近年來在各行業(yè)應用得以快速發(fā)展，led恒流源成了關注熱點，理論上，led的使用壽命在10萬小時以上，但在實際應用過

9、程中，由于led恒流源的設計及驅動方式選擇不當，致使led極易損壞。由于led的生產廠家及l(fā)ed規(guī)格不同，電流、電壓特性均有差異?，F以白光led比較常見的規(guī)格為例，按照led的電流、電壓變化規(guī)律進行說明，一般應用正向電壓為3.0-3.6v左右，典型值電壓為3.3v，電流為20ma，當加于led兩端的正向電壓超過3.6v后，正向電壓很小的增加，led的正向電流都有可能會成倍增漲，使led發(fā)光體溫升過快，從而加速led光強減弱，使led的壽命縮短，嚴重時燒壞led。由led的電壓、電流變化特性，進而導致對led驅動的設計提出了嚴格要求。當前很多廠家生產的led燈類產品，采用阻、容式降壓，然后加上一

10、個穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，對led上電。這樣的led恒流源方式存在極大缺陷，首先是效率低，在降壓電阻上消耗大量電能，甚至有可能超過led所消耗的電能，且無法提供大電流驅動，因為電流越大，消耗在降壓電阻上的電能就越大，因此很多產品的led不可以采用并聯方式，而采用串聯方式降低電流。其次是穩(wěn)定電壓的能力極差，無法保證通過led電流不超過其正常工作要求，設計產品時都會采用降低led兩端電壓來供電驅動，這樣會使led亮度降低。采用阻、容降壓方式驅動led，led的亮度不夠穩(wěn)定，led的亮度會隨著電壓的變化而變化。阻、容降壓方式驅動led的最大優(yōu)勢是成本低。根據led電流、電壓變化特點，采用恒壓驅動led是可行

11、的，雖然常用的穩(wěn)壓電路，存在穩(wěn)壓精度不夠和穩(wěn)流能力較差的缺點。與上述幾種方法相比，最為理想的驅動led的方式應為采用恒流源方式，它能避免led正向電壓的改變而引起電流變動，與此同時，恒定的電流可以保持led的亮度穩(wěn)定。因此眾多廠家選用恒流方式的led恒流源。圖1.1 led伏安特性曲線圖1.2 led光通量與前向電流的關系2.在精密儀器測量中的應用在目前我們所使用的電流表的校驗方法中必須用到恒流源。校驗過程為，將待校的電流表與標準電流表串接于恒流源電路中，調節(jié)恒流源的輸出電流大小至被校表的滿度值和零度值，檢查各電流表指示是否正確。在一些精密測量領域中，如電流電壓法測電阻值、電橋供電中，恒流源同

12、樣充當非常重要的角色。此外，我們日常生活中，各種根據輝光放電原理制成的電光源，如應用于城市照明中的氖燈，這種光源一旦被點燃，管內稀薄氣體迅速電離。由于離化過程中放電管中的電流將隨時上升，所以，此時在燈管上供以恒定電壓會使其不穩(wěn)定的，電流值可能增大到使燈管降低使用壽命甚至損壞。為了穩(wěn)定放電電流，讓燈管盡快達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，采用恒流源供電是最好的解決辦法。在使用時為防止電流沖擊，一般的解決辦法是通過調壓器或限流電阻逐步加大電流是電流逐漸達到額定值，這種方法既不安全，又不方便。因此，采用恒流源供電是較為合理的解決辦法。3.在傳感器中的應用目前，傳感器已經廣泛的應用在人們的生產生活的各個角落，例如熱

13、敏、力敏、光敏、磁敏、濕敏等傳感器，這些傳感器常常采用恒流源供電。例如:霍爾式壓力傳感器的電源就使用恒流源。其公式: eh = kh i b , 式中: eh 為霍爾電勢 (mv) ; i 為通過半導體的電流(ma) ; b 為磁感應強度( t) ; kh 為霍爾元件靈敏度系數(mv/ mat) 。在實際應用中i 和b 兩個量之一保持常數的話,則另一個作為輸入變量,引起輸出電壓eh 與輸入量成比例。所以為使所產生的霍爾電勢與待測量成單一的線性關系,必須保證給霍爾元件提供恒定的直流電流i ,故要配備恒流源。使用恒流源的原因不僅因為許多敏感器件是用半導體材料制成的，還因為這樣可以有效的避免連接傳感

14、器的導線電阻和接觸電阻的影響。圖1.4 方形孔壓力傳感器4現代大型儀器中穩(wěn)定磁場的產生在許多現代醫(yī)療診斷儀器中，常常用到恒流源。如超導磁源成像儀和ct斷層掃描儀中的磁場均要求很穩(wěn)定，以免產生嚴重的測量誤差，造成巨大的損失。若使用穩(wěn)壓電源對其供電，電磁鐵線圈工作時發(fā)熱等原因會使其阻值改變，進而使供電電流變化，導致磁場不穩(wěn)定。如用恒流源供電即可有效克服上述缺點，達到預期效果。因此，凡是對磁場的穩(wěn)定程度要求十分嚴格的裝置必須采用恒流源供電。同理，核物理實驗裝置中的質譜儀、粒子加速器、頻譜儀等必須采用恒流源供電。5在其他領域中的應用除此之外，有線通信遠供電源，電解、電泳、電鍍等化學領域裝置的電源，電子

15、束加工機、離子注入機等電子光學設備中的供電電源也都必須采用恒流源作為供電設備。1.1.4 恒流電源的發(fā)展過程恒流電源從誕生開始到現在發(fā)展是比較迅速的，同時具有廣泛的應用，依據核心器件的發(fā)展其發(fā)展大致可分為三個階段，分別為第一階段的電真空器件恒流源；第二階段的晶體管恒流源以及現在的集成電路恒流源。電真空器件恒流源主要由鎮(zhèn)流管構成，鎮(zhèn)流管具有穩(wěn)定電流的功能，多用于交流電路，因此常被用來穩(wěn)定電子管的燈絲電流，使用方法為將鎮(zhèn)流管和負載串聯，即可構成直接調整型恒流源。在上世紀60年代以后采用晶體管做調整元件的晶體管恒流源得到迅速發(fā)展，并在實際中獲得了廣泛的應用。但是隨著半導體集成技術的發(fā)展，集成電路恒流

16、源提高了穩(wěn)定性和可靠性，替代晶體管恒流源已經成為勢不可擋的趨勢。1.2 國內外發(fā)展現狀與趨勢我國的電源產業(yè)，始于上世紀60 年代中期， 90年代后，進入快速發(fā)展時期。總體現狀為電源產業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；與此同時，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識不斷增強的情況下，我國電力電子技術的研究從消化吸收為基點，已經發(fā)展為可以跟蹤世界專業(yè)前沿并做一些基礎創(chuàng)新。研制生產出了一些技術難度較大、具有國際先進水平的產品，而且還取得了一大批具有代表性的研究成果和產品。目前國內還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究和創(chuàng)新性研究。但是我國電源產業(yè)與一些發(fā)達國家的同類行業(yè)相比，仍然存在著很大的差距和不足：在產品的質量

17、、可靠性、開發(fā)投入、生產規(guī)模、工藝水平、檢測設備、智能化、人員專業(yè)素質、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為1015年。目前國內在這兩方面研究比較多的包括廣州的華南理工大學和成都電子科技大學，主要是采用可編程系統(tǒng)器件(psd)或單片機來控制開關直流電源或數字化電壓單元達到數控的目的，但和國外的同行業(yè)相比較，還有很大的差距。目前，全國的電源及其配件的生產銷售企業(yè)有4000 家以上，產值有300400億元，生產規(guī)模和產值巨大，但國內企業(yè)(著名的如北京大華、江蘇綠揚等)銷售的數控直流恒流電源大多是代理歐美和日本的產品，國內廠家生產的直流恒流電源雖然也朝著向數字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現數碼顯示，或實現

18、多組數值預置?？傮w來說，國內直流恒流源技術相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。就行業(yè)總體形勢來講，恒流源作為穩(wěn)定電源的一個分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構成恒流源的核心器件已由早期的電真空結構的鎮(zhèn)流管進入到半導體集成電路時代。恒流源涉及的范圍也由傳統(tǒng)的穩(wěn)定電磁場、校正電流表等，擴展至激光、超導、通信等領域，展示了廣闊的應用前景。傳統(tǒng)的恒流源的設計思路主要包括以下幾種：1.利用穩(wěn)壓源和電阻改制的恒流源；2.用恒流器件構成的恒流源；3.負反饋放大器構成的恒流源。幾種恒流源方式各有優(yōu)勢和缺點，分別適于不同特定的應用環(huán)境。進入2l世紀后，隨著信息技術的快速發(fā)展，數字恒流源已經成為恒流源由模

19、擬恒流源向未來進步的一個方向，特別是成熟的計算機技術給予了數字恒流源更大的發(fā)展空間。目前，制作功耗較大、穩(wěn)定性低、抗干擾能力弱的模擬恒流源的技術已經成熟，而高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、多級可調的數控恒流源的研制尚處于發(fā)展過程階段。因此，如何把數字技術和現代電力電子器件結合制作出能夠穩(wěn)定應用于工業(yè)現場、高精度的數控恒流源就將成為未來一段時間的新課題；同時，具有數字化技術和智能化設計的恒流源也必將成為恒流源的發(fā)展方向與必然趨勢。1.3 課題的意義和目的隨著社會生產力水平不斷提高，先進電子技術的迅猛發(fā)展，電子設備的應用領域因此變得越來越廣泛，目前，恒流源被廣泛用于傳感技術、機器人技術、電子測量儀

20、器、現代通信、激光、超導等高新技術領域、并且有良好的發(fā)展前景。因此，如何為用電設備提供安全可靠、穩(wěn)定的電源成為擺在現實中需要解決的課題。其中，長期以來人們更多的致力于對穩(wěn)壓源的研究，相比而言，人們對恒流源的研究、設計以及相關資料的查閱都相對有限。在此背景下，研究恒流源有著重要的現實意義和理論意義，本課題將通過數控式直流調壓電路來設計直流恒流電源，使其達到結構簡單、成本低、效率高、數字化控制及顯示，輸出電流的質量高，系統(tǒng)的動態(tài)響應速度快的最終目標。1.4 本文所作的主要工作本文采用恒流控制技術，設計并制作基于avr單片機控制的恒流系統(tǒng)，主要完成以下幾個方面的任務：1. 構建恒流主電路。采用模塊化

21、概念，設計恒流的基礎電路，電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)由硬件模擬電路組成，主電路采用全控器件igbt，恒流控制精度高，深度電流負反饋確保輸出電流穩(wěn)定及輸出特性更硬。2. 設計基于atmega 16單片機的采樣反饋控制系統(tǒng)，實現對恒流源的智能化管理及檢測，數控單元不但能方便的實現恒流值的設置，而且能夠實現恒流值動態(tài)調節(jié)，調節(jié)步進值可以自由選擇，最小步距50ma；3. 完善的保護功能，包括過流保護，過熱保護，可以吸收負載向電源釋放高壓浪涌，具有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以在-2040環(huán)境下的工業(yè)現場長期工作；4. 友好的人機交互界面?？梢栽诓僮魃细诵曰?，更簡單，盡量按照用戶的習慣來設計操作方式。有校準

22、功能，可以用儀器校準輸出電流；5. 能夠聯網控制，加入串口通信功能。第二章 理論分析及可行性方案論證2.1 恒流電源工作特性分析當輸入電壓、負載、環(huán)境溫度等外界條件在一定范圍內變化時，電源的輸出電流是不變的。而在恒流源的特性圖2.1中，即使理想的恒流源是內阻為無窮大、輸出電流始終保持在規(guī)定值，且與端電壓的大小和極性無關的電流源。實際的電流源是內阻和功率都是有限的電流源。當電源為空載，即負載電阻時，輸出功率。理想恒流源的外特性是一條垂直于橫坐標電流軸的直線。圖2.1 （左為理想電流源，右圖為實際電流源）而在電路中： (電源外特性曲線呈陡降式接近恒流源。)實際恒流源中，如果負載電阻太大，使電源輸出

23、電流不能達到恒流值，那么恒流源的輸出電壓就會自動升到電源的最大輸出電壓，只有當負載電阻小到一定的程度，使電源輸出電流達到恒流值，電源才真正處于恒流工作狀態(tài)，隨著負載電阻值的逐步減小，輸出電壓也按相應下降，以保持輸出電流的恒定不變。圖2.2 電流源外特性圖（1表示理想電流源，2表示實際電流源）2.2 開關電源幾種電路類型直流電源變換器按其輸入與輸出是否進行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的需要。在非隔離式變換器中。而這章主要是介紹降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉型變換器的電路結構、工作原

24、理及相關參數的關系式。在隔離式變換器中，應用雙極型晶體管作為開關且開關管自身起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激pwm變換器。自激式變換器主要是rcc變換器和reyer變換器，他激式變換器主要是介紹單端反激式、單端正激式、推挽、半橋、全橋變換電路結構、工作原理。2.2.1 降壓型（buck）變換器降壓型（buck）變換器將輸入的直流電壓轉換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經lc濾波轉換成直流電壓。輸入電壓uin是未經穩(wěn)壓直流電壓；晶體vt1為調整管，即開關管ub為矩形波是控制開關管的工作狀態(tài)；電感l(wèi)與電容c組成濾波電路，而vd1為續(xù)流二極管。降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工

25、作模式；一種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式。降壓型變換器的原理圖及工作波形圖如下圖2.1所示。圖2.3 降壓型（buck）變換器原理圖圖2.4 （a） vt1導通等效電路圖圖2.4 (b) vt1關斷等效電路圖圖2.4 （c）vt1關斷后電流為零等效電路圖2.2.2 升壓型（boost）變換器升壓型變換器電路如下圖2.5所示。主電路由串聯在回路中的儲能電感l(wèi)1，開關管vt1及整流二極管vd1、濾波電容c1。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電壓的dcdc變換器。圖2.5 升壓型（boost）變換器原理圖有兩種基本工作方式：電感電流連續(xù)模式和電感電流斷續(xù)工作模式。

26、boost三種工作狀態(tài)等效電路圖2.6 （a）vt1導通等效電路圖2.6 （b）vt1 截止等效電路圖2.6 （c）vt1 關斷電感電流為零2.2.3 極性反轉升降壓（buckboost）變換器極性反轉型 (buckboost)變換器主電路所用元器件與buck、boost變換器相同，由開關管vt1、儲能電感l(wèi)1、整流二極管vd1及濾波電容c1等元器件組成。這種電路具有buck變換器降壓與boost變換器升壓的雙重作用。圖2.7 極性反轉型 (buckboost)變換器原理圖工作原理三種等效電路圖:圖2.8 （a）vt1導通等效電路圖圖2.8 (b)vt1截止等效電路圖圖2.8 （c）vt1關斷

27、時電感電流為0等效電路圖2.2.4 cuk變換器cuk變換器是buckboost串聯變換器它是針對buckboost升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動值大的缺點。主要電路如下圖所示，它由開關管vt1、儲能電容器c1、輸入儲能電感l(wèi)1、輸出儲能電感l(wèi)2、續(xù)流二極管vd1及輸出濾波電容器c2等元器件組成，開關管vt1由pwm驅動電路控制的，二極管vd1將輸入回路和輸出回路分開，左半部分是輸入回路，右半部分是輸出回路。圖2.9 cuk變換器原理圖工作原理三等效電路圖:圖2.10 （a）vt1導通等效電路圖圖2.10 (b) vt1截止等效電路圖圖2.10 （c）電流斷續(xù)等效電路圖2.3 pwm的

28、工作原理pwm（pulse width modulation）控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。pwm控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是pwm型，pwm控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。 2.3.1 pwm控制的基本原理1.理論基礎沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖2.11 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2.面積等效原理 分別將圖2.11

29、所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（r-l電路）上，如圖2.12所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖2.12(b)所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。用傅里葉級數分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖2.12 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波n等分，看成n個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量

30、）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。如圖2.13所示。圖2.13 用pwm波代替正弦半波2.3.2 pwm相關概念1.占空比就是輸出的pwm中，高電平保持的時間 與 該pwm的時鐘周期的時間之比。例如，一個pwm的頻率是1000hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現的時間是200us，那么低電平的時間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說占空比就是1：5。2.分辨率占空比的最小值。3.頻率pwm波形周期的倒數。2.4 開關電源的控制算法在介紹開關電源的控制算法之前，我們需要了解控制系統(tǒng)的基本概念，過

31、程控制就是對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制。1.模擬控制系統(tǒng)圖2.14 基本模擬反饋控制回路被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程?？刂埔?guī)律用對應的模擬硬件來實現，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。2.微機過程控制系統(tǒng)以微型計算機作為控制器。控制規(guī)律的實現，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應的程序即可。圖2.15 微機過程控制系統(tǒng)基本框圖開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller

32、)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路，所以結構簡單，易于實現，但輸出誤差較大，鑒于本題目對輸出誤差有嚴格的要求，所以應該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋( negative feedback)，本系統(tǒng)即采用了閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。在工程實際中，pid（比例、積分、微分）是應用最為廣泛的閉環(huán)控制規(guī)律。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確

33、的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用pid控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用pid控制技術。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)

34、誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，會使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑

35、制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。 1.模擬pid調節(jié)器(1) 模擬pid控制系統(tǒng)組成圖2.16 模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖（2）模擬pid調節(jié)器的微分方程和傳輸函數p

36、id調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。pid調節(jié)器的微分方程 （2-1）式中 pid調節(jié)器的傳輸函數 （2-2）(3）pid調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數ti，ti越大，積分作用越弱，反之則越強。3）微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早

37、期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。2.數字pid控制器（1）模擬pid控制規(guī)律的離散化表2-1 模擬pid控制規(guī)律模擬形式離散化形式（2）數字pid控制器的差分方程 （2-3）式中 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項（3） 常用的控制方式1）p控制（2-4）2）pi控制 （2-5）3）pd控制 （2-6）4）pid控制 （2-7）（4）pid算法的兩種類型 1）位置型控制 （2-8） 2）增量型控制 （2-9）2.5 本章小結本章主要討論了恒流源的工作原理、常見的開關型電源、pid控制算法和pwm調制方式在數字實現方式上的分析，確定了系統(tǒng)的總體方案，對各個模塊的功能進行了分析。

38、第三章 電源系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)硬件總體結構數控直流穩(wěn)壓電源的整機框圖如圖3-1所示，它主要由單片機控制電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、dc/dc轉換電路、d/a轉換電路、采樣電路、緩沖放大電路、鍵盤控制和液晶顯示電路等九個模塊組成。avr微控制器是數字直流穩(wěn)壓電源的核心。它通過軟件的運行來控制整個儀器的工作，從而完成設定的功能操作。我們選用的avr為atmega 16，它是整個系統(tǒng)的中樞，接收來自鍵盤的信息，對輸入的信息進行處理，從而確定儀器的工作狀態(tài)及輸出電壓的大小。如果發(fā)生過熱現象，avr系統(tǒng)能驅動溫度保護電路工作。此外，如果上位pc機有請求，能通過串口接口電路與pc機進行通信。dc/

39、dc轉換采用開關電源芯片tps5450，緩沖放大采用精密儀表運放ina118和低噪聲運放tlc2202組成，顯示電路采用了lcd器件128*64液晶顯示。系統(tǒng)框架如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)框架圖3.2 工作原理和流程分析本系統(tǒng)整機工作原理：系統(tǒng)上電，首先220v市電通過降壓器降為后級電路所需的24v交流電壓；再將交流電壓整流為脈沖直流電壓后經過濾波，由于此脈沖直流電壓含有較大的波紋和高頻信號，所以必須通過濾波電路加以濾除，才能得到較平滑的直流電壓信號；得到的直流電壓輸入穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓電路對其進行穩(wěn)壓并輸出多路電壓，一路為dc/dc模塊提供穩(wěn)定的1218v直流電壓，另幾路又通過次級降壓為液

40、晶、單片機和運放單獨供電；穩(wěn)定的電壓送入dc/dc模塊保證其正常工作，以實現改變dc/dc模塊的輸出電流；dc/dc輸出電流當流經采樣電路中0.01康銅絲上時被采集，采樣出來的差值進行可調增益放大，然后放大的電流信號再通過低噪聲運放構成的緩沖電路送往單片機片內a/d，最后a/d對采集回來的信號進行轉換。3.3 avr控制器電路avr單片機是atmel公司推出的一款基于risc指令架構的高性能、低功耗的8位單片機。所謂精簡指令集risc（reduced instrution set computer）是20世紀90年代開發(fā)出來的，它是綜合了半導體集成技術和軟件技術性能的新型微處理器架構，是相對于

41、復雜指令集cisc（complex instrution set computer）而言的。risc先使用頻率通過最高的簡單指令、避免復雜指令、采用固定指令長度、減少指令格式和尋址方式等方法來縮短指令那個周期，提高處理器的運算速度。采用這種risc結構，使得avr系列的單片機具備1mips/mhz的高速處理能力。avr單片機采用哈佛(harvard)總線結構，程序存儲器和數據存儲器是分開的。微處理器直接訪問全部程序存儲器和數據存儲器。并且avr單片機具有isp（in system programming）功能。atmega16芯片引腳圖見圖3.2。圖3.2 atmega 16引腳圖（pdip）

42、3.4 可調電流源主電路該恒流源主電路是由兩個集成運算放大器構成的電流放大電路、負載電阻和采樣電阻等構成。其中第一只運放的作用是將主電路的電流經過變換成可以被a/d轉換器可以檢測的電壓值，同時將此輸出作為第二只運放的負輸入與第二只運放相連。第二只運放作為比較器，它的正輸入端的信號由da轉換器提供。根據輸出電流范圍（200ma2a）和輸出直流電壓小于15v的要求，我們采用可調2k /2w的負載電阻。為了保證采樣電阻盡可能不受輸出電壓變化的影響，單獨采用0.1/10w采樣電阻進行電壓反饋?？刂齐娐酚善鹗键c調整電路和電壓疊加電路構成。起始點調整電路的作用是當d/a零輸入時，設置uc的輸出電壓。為了滿

43、足恒流源輸出電壓的要求并且減小步長提高精度，當d/a輸出為零時，uc的電壓調整為 11.9v，從而滿足恒流源輸出電壓的要求。電壓疊加電路在起始點調整電路的基礎上添加pid算法的調整量。圖3.3 可調控制電路原理圖3.5 數據采集和數據輸出一般條件下，d/a電路輸出電壓范圍控制在00.9v。由于采用10位的d/a芯片，故d/a輸出調整電壓精度為0.9v / 1024 = 0.87mv。理論上輸出電流的最小單位為0.87 mv / 0.1 = 8.7 ma。由于在實際電路中器件存在溫度漂移、內電阻等誤差，所以實際輸出步長不能達到8.7ma。根據實際經驗，預留出一定余量，實際輸出步長為50ma，我們

44、取8.7ma的5.74倍，約為50ma。圖3.4 d/a輸出原理圖d/a轉換器采用max5251。max5251為4通道，10位d/a轉換器。自帶16位數據輸入/輸出移位寄存器，并且每一個d/a通道均集成一個輸入寄存器和dac寄存器。max5251的vdd為3.3v，參考電壓為0v1.9v。其內部電路如下所示：圖3.5 d/a轉換芯片max5251內部電路圖3.6 d/a輸出原理圖如上圖所示，d/a轉換器通過3根串行線與avr的同步外圍串行接口連接。其中dout為串行數據輸出口，din為串行數據輸入口，發(fā)送和接受16位數據。sclk為串行時鐘線接口, 為片選信號輸入口，低電平有效，為復位信號輸

45、入線，低電平有效。在置低時，串行數據輸入線上的數據可在串行時鐘信號上升沿時按位寫入移位寄存器，并在之后的 信號上升沿時將移位后的數據寫入輸入寄存器。寫入數據的前4位為命令控制位，然后為10位數據位，最后兩位無功能。通過對命令控制位的不同賦值，可實現d/a轉換器的不同操作。3.6 反饋電路由于采樣電阻為0.1，故反饋輸入電壓為0.02v0.2v。為了抑制干擾，我們將信號放大10倍，使反饋輸出電壓為0.2v2v。同時采用截止頻率為10hz的無源低通濾波器，濾除工頻干擾和器件噪聲。為了使反饋電壓不大于a/d通道的最大輸入電壓，電路里又添加了限幅保護電路，有效的保護a/d正常工作。圖3.7 d/a反饋

46、原理圖3.7 人機交互接口人機交互接口可以分為輸入和輸出兩部分，其中輸入部分主要為鍵盤輸入模塊，輸出部分為lcd液晶顯示模塊。3.7.1 鍵盤輸入模塊圖3.8 鍵盤原理圖在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少i/o口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖3.8所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如p1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣

47、式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/o口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。3.7.2 lcd液晶顯示模塊圖3.9 lcd顯示電路原理圖本系統(tǒng)采用lcm12864圖形點陣式液晶顯示模塊作為主站的顯示界面。12864液晶顯示模塊由st7920控制器、12864點陣式顯示屏、二級漢字字庫以及背光照明4部分組成。st7920控制器內置國標字庫以及ascii碼

48、字符庫，直接向其發(fā)送ascii代碼，即可顯示相應的ascii字符或漢字。除了字符顯示功能外，該顯示模塊還具備圖形顯示功能。本系統(tǒng)采用lcm12864圖形點陣式液晶顯示模塊作為顯示模塊，lcm12864 中文液晶顯示模塊的液晶屏幕為128*64，可顯示四行，每行可顯示8 個漢字。中文液晶顯示模塊可實現漢字、ascii 碼、點陣圖形的同屏顯示，電源操作范圍寬（2.7v to 5.5v）；同時與單片機等微控器的接口界面靈活（三種模式：并行8 位/4 位，串行3 線/2 線），可以根據需要靈活選用。我們采用的是串行3線式接口。在串行方式下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時鐘（

49、sclk）與接收串行數據線（sid），來完成串行傳輸的動作。減少了對i/o端口的占用。串口通信傳輸協議：在片選cs設為高電位時，同步時鐘線（sclk）輸入的訊號才會被接收，另一方面，當片選（cs）設為低電位時，模塊的內部串行傳輸計數與串行資料將會被重置。模塊的同步時鐘線（sclk）具有獨立的操作，但是當有連續(xù)多個指令需要被傳輸，必須確實等到一個指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因為模塊內部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個完整的串行傳輸流程來看，一開始先傳輸起始位，它需先接收到五個連續(xù)的“1”（同步位串）在起始位元組，此時傳輸計數將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個bit 分別指定傳輸方向

50、位（rw）及暫存器選擇位（rs），最后第八位則為“0”。在接收到起始位元組后，每個指令/數據將分為二組接收到：較高4 位元（db7db4）的指令資料將會被放在第一組的lsb 部分，而較低4 位元（db3db0）的指令資料則會被放在第二組的lsb 部分，至于相關的另四位則都為0。圖3.10 串行時序圖avr控制芯片與lcd液晶顯示模塊采用串行的連接方式。在串行方式下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時鐘（sclk）與接收串行數據線（sid），來完成串行傳輸的動作。在片選cs 設為高電位時，同步時鐘線（sclk）輸入的訊號才會被接收，另一方面，當片選（cs）設為低電位時，模

51、塊的內部串行傳輸計數與串行資料將會被重置。模塊的同步時鐘線（sclk）具有獨立的操作，但是當有連續(xù)多個指令需要被傳輸，必須確實等到一個指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因為模塊內部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個完整的串行傳輸流程來看，一開始先傳輸起始位，它需先接收到五個連續(xù)的“1”（同步位串）在起始位元組，此時傳輸計數將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個bit 分別指定傳輸方向位（rw）及暫存器選擇位（rs），最后第八位則為“0”。在接收到起始位元組后，每個指令/數據將分為二組接收到：較高4 位元（db7db4）的指令資料將會被放在第一組的lsb 部分，而較低4 位元（db3db0）的

52、指令資料則會被放在第二組的lsb 部分，至于相關的另四位則都為0。采用液晶顯示模塊，克服了系統(tǒng)動態(tài)刷新顯示時led管閃爍顯示的缺點，更易于測量觀察。3.8 電源供電電路因為恒流源主回路需要一個大電流，為了保證該回路可以得到足夠的電流，并且當主回路電流急劇增大時，不至于影響其他器件正常工作，采用多電源供電的方式。運算放大器部分采用15v對稱電源供電，恒流源產生電路采樣一個大電流的12v電源。這樣既減小了電源設計的難度，有杜絕了兩個電路之間的互相干擾。圖3.11 15v對稱電源電路圖圖3.12 大電流15v電源圖3.13 控制電路5v電源3.9 接口及保護電路3.9.1 接口電路圖3.14 接口電

53、路1.rs232協議標準rs232信號在正負電平之間擺動,在發(fā)送數據時,發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5v+15v，負電平在-5v-15v電平。當無數據傳輸時，線上為ttl電平，從開始數據傳輸到結束，線上電平從ttl電平到rs232電平再返回ttl電平。接收器典型的電平在+3v+12v與-3v-12v。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為23v左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳輸距離最大為約15m，最高速率為20kbps。2.max232簡介rs232用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與ttl以高低電平表示邏輯狀態(tài)規(guī)定不通，因此要用rs232總線進行串行通信時需外接電路以實現電平轉換。在

54、發(fā)送端用驅動器將ttl電平轉換成rs232電平，在接收端用接收器將rs232電平再轉換成ttl電平。max232內部有電荷汞電壓轉換器，可將+5v電源變換成rs232所需的10v電壓，以實現電壓的轉換，既符合rs232的技術，又可實現+5v單電源供電，所以max收發(fā)器電路給短距離串行通信帶來極大的方便。3.硬件連接單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，計算機的串口是rs232電平的，而單片機的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，采用專用芯片max232進行轉換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。采用三線制連接串口，也就是說和計算機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的gnd、第2腳的rxd、第3腳的txd。電路如圖2.5所示，max232的第11腳和單片機的11腳連接，第12腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。3.9.2 濾波扼流電路的設計圖3.15 輸出扼流圈電路1）輸出扼流圈的電感值設計計算流入輸出扼流圈電流l為輸出扼流圈的電感（h）；為輸出電流的10%30%。則有電感l(wèi)值為：由此可見，需要11.86h，10a的扼流圈。2）輸