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1 設計任務(wù) 設計并制作數控直流電流源。輸入交流200～240V，50Hz；輸出直流電壓≤10V。 要求：輸出電流范圍：200mA～2000mA；可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的1％+10mA；具有步進(jìn)調整功能，步進(jìn)≤10mA；紋波電流≤2mA；改變負載電阻，輸出電壓在10V以?xún)茸兓瘯r(shí)，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10mA。 2 系統設計方案 鑒于目前數控直流源一般采取運放構成的電流-電壓轉換電路與單片機結合，設計方案大多為開(kāi)環(huán)系統，主控制器僅用于數字給定及顯示，沒(méi)有對輸出電流進(jìn)行檢測和控制。本文在傳統電路設計的基礎上，利用控制系統中反饋與控制原理，引入電流負反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運算放大器的反向輸入端，實(shí)現負反饋，形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統；軟件方面，將具有全局尋優(yōu)能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優(yōu)能力強的直接搜索法結合在一起，設計基于遺傳算法和直接搜索策略的混合優(yōu)化算法，充分利用了遺傳算法的全局搜索能力并以此作為優(yōu)化過(guò)程的“粗調”，同時(shí)利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優(yōu)化過(guò)程的“微調”，集中了兩者的優(yōu)點(diǎn)，而克服了兩者的弱點(diǎn)，得到的目標函數值較遺傳退火策略更優(yōu)，而且一致性更好，用于PID參數整定是具有整定速度快，調節時(shí)間短，穩態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)結合PID算法，形成軟件閉環(huán)，實(shí)現對輸出電流的精確控制。 系統工作原理如下：由鍵盤(pán)預置電流值，輸入到單片機；采樣電阻采集的電流信號經(jīng)A／D轉換器送入單片機，當兩值之差絕對值為零或不大于設定值時(shí)，不作任何調整；當兩值之差大于設定值時(shí)，運用PID算法進(jìn)行調整，送人D／A轉換，調整輸出電流，直到差值在允許的范圍內。單片機控制液晶顯示電流的設定值、實(shí)際輸出值和電流步進(jìn)值。 3 硬件電路設計 數控直流電流源由自制電源電路、鍵盤(pán)輸入電路、顯示電路、單片機最小系統、D／A轉換電路、恒定電流源電路、A／D轉換電路和輸出電流采集等模塊電路組成。 3.1 采用比較適合的新型的Atmega128單片機 目前大多數控恒流源設計方案是以51系列單片機作為電流源控制器，該系列單片機性?xún)r(jià)比高，接口電路開(kāi)發(fā)成熟，應用廣泛。但其執行速度慢，集成的電路穩定性差，且容易受干擾，內部沒(méi)有看門(mén)狗電路，容易死機，沒(méi)有集成A／D、D／A轉換芯片。與51系列單片機相比，ATmega128具有高速運行處理能力，電路穩定性好，內部有可編程帶內部振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器，帶有8通道單端或差分輸入的10位A／D轉換芯片。本系統選用ATmega128作為電流源控制器，使用高精度、具有比較匹配中斷功能的定時(shí)器，實(shí)現高精度的PID算法。 控制器主要實(shí)現以下功能：(1)控制鍵盤(pán)輸入電流設定值；(2)控制A／D轉換電路把實(shí)測電流值轉換成數字量；(3)比較電流設定值與實(shí)測值的大小，根據比較結果，用PID算法進(jìn)行調整；(4)控制D／A轉換電路把調整好的數字電流量轉換為模擬電壓量；(5)顯示設定電流值、實(shí)測電流值和步進(jìn)電流值；(6)記錄故障持續時(shí)間。 3.2 恒定電流源設計 本設計采用集成有運放的線(xiàn)性恒流源。電路由兩個(gè)低漂移運放LM358、晶體管TIP41C、負載電阻R、限流電阻R3和直徑為1mm康銅絲繞制成的電流反饋采樣電阻Rf組成。 采樣電阻Rf將電流信號以電壓的形式加到運放的輸入端，構成電流并聯(lián)負反饋電路，減輕后級電路對D／A的影響，同時(shí)可以得到恒流輸出，使電流源具有較好的穩定性。TIP41C是大功率晶體管，工作在線(xiàn)性放大區時(shí)，最大集電極電流為4 A，放大倍數為20～70倍。 負載電流僅由輸入電壓決定，而與負載R的大小無(wú)關(guān)。由于運放電源的限制，負載只能在一定范圍內變化。當輸入電壓不變時(shí)，負載電阻在一定范圍內變化，輸出電流將保持不變，構成恒流源電路。 本方案的另外一個(gè)特色是，采用康銅絲組成采樣電阻，康銅絲的溫度系數為5ppm／℃，通過(guò)電流時(shí)引導起的溫度升高對其電阻阻值并不會(huì )有太大影響，溫度特性好，同時(shí)采用反向對稱(chēng)繞法把其繞制成空心繞線(xiàn)電阻，以減少繞制電阻時(shí)產(chǎn)生附加的電感，達到減少紋波電流的目的。為保證足夠的V-I轉換精度，電路中各電阻應選用精密電阻。 3.3 A／D轉換器設計 本系統的電流測量部分由12位A／D芯片TLC2543構成，該芯片是一種12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A／D轉換器，芯片共有11個(gè)模擬輸入通道。芯片的串行三態(tài)輸出數據端、輸人數據端、輸入／輸出時(shí)鐘3個(gè)控制端能形成與微處理器之間數據傳輸較快和較為有效的串行外設接口。12位A／D可以達到該系統的1％+1mA的精度要求。 3.4 聲光報警電路 數控直流電流源有過(guò)流保護功能，即當實(shí)際電流輸出超4000mA，可實(shí)現報警，并使輸出電流降為0mA。 3.5 自制電源模塊設計 本設計需要12V及5V直流電壓。整個(gè)系統的電壓外接220 V交流電壓，將外接電壓通過(guò)整流變壓器得到15 V左右交流電壓，再經(jīng)過(guò)電橋整流得到直流電壓，15 V直流電壓經(jīng)過(guò)電容的濾波，然后再通過(guò)三端穩壓塊7805轉換得到5 V電壓，通過(guò)三端穩壓塊7812得到12 V電壓。 3.6 人機交互界面 與數碼管相比，液晶顯示屏具有功耗低、可視面積大，分辨率高，抗干擾能力強，字符操作方便等特點(diǎn)，并且編程容易，占用控制器的資源不多等優(yōu)點(diǎn)。本設計采用LCD1602顯示0～2300mA電流，發(fā)光二極管LED1、LED2指示電流測量方式和電流設定方式，當二者交替點(diǎn)亮表示當前為交替顯示電流的給定值和實(shí)測值，LED3、LED4、LED5分別指示3種步長(cháng)(1mA、10mA、100mA)。 因編碼鍵盤(pán)掃描采用中斷方式，具有占用I／O口較少的優(yōu)勢，本設計采用2×8編碼鍵盤(pán)，共16個(gè)按鍵。編碼鍵盤(pán)采用硬件電路代替軟件判斷按鍵編號的方式，當按鍵按下時(shí)，鍵盤(pán)通過(guò)優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼，編碼器同時(shí)向單片機發(fā)出中斷信號，單片機讀取鍵號，調用按鍵子程序進(jìn)行相應處理。 3.7 D／A轉換器設計 為實(shí)現輸出電流范圍10mA～4000mA、步進(jìn)1mA的要求，應選用分辨率高的DAC，本設計采用MAX538為D／A轉換電路的核心器件。 MAX538是12位串行數模轉換器，具有轉換速度快、精度高、功耗低等特點(diǎn)。本芯片為8腳串口數據輸入D／A轉換芯片，占用單片機引腳資源少，程序編輯方便,外圍電路擴展簡(jiǎn)單。由于MAX538具有內部基準電壓為4.096V，由公式( 3.8 系統的組成 (1)控制器件：ATmega128單片機； (2)鍵盤(pán)輸入電路：2 × 8編碼鍵盤(pán)； (3)顯示電路：LCD1602； (4)恒定電流源電路：LM358、TIP41C、采樣電阻Rf； (5)聲光報警電路：發(fā)光二極管和蜂鳴器； (6)記錄故障時(shí)間：ATmega128單片機內置的定時(shí)器／計數器； (7)A／D轉換器：TLC2543； (8)D／A轉換器：MAX538； (9)自制電源模塊：整流變壓器、整流橋、電容、三端穩壓塊7812及7805 4 軟件設計 在數控恒流源閉環(huán)控制系統中，為保持負載電流恒定，并且負載電流隨設定值變化時(shí)沒(méi)有超調，同時(shí)又希望系統有較好的抗擾動(dòng)性能，本設計采用PID控制器來(lái)改善系統的性能。具體控制過(guò)程為：ATmega128經(jīng)A／D轉換器讀取實(shí)際輸出電流I，然后和設定的電流IS相比較，得出差值Ek=IS-I，主控制器根據Ek的正負大小，調節PID控制器，計算出本次電流調節的增量△Ik，然后根據前一次D／A芯片輸出的電流Iq-1，計算本次的輸出電流。PID控制器的參數由自行設計的混合最優(yōu)算法確定。 4.1 混合最優(yōu)算法設計 鑒于遺傳算法收斂慢，易早熟，且對參數依賴(lài)性大，而直接搜索法在局部有很好的搜索能力。本設計綜合利用兩種算法的優(yōu)良性能，克服各自的缺點(diǎn)，先用遺傳算法在給定的區域上作“全局粗略”搜索，然后用直接搜索法對其中部分較優(yōu)個(gè)體在這些個(gè)體所在極小區域作“局部精絀”搜索，找出它的極小值，反復進(jìn)行，可以比較迅速地找出PID算法參數的全局最優(yōu)解。 控制器ATmega128主要用來(lái)實(shí)現遺傳算法參數自整定，數據存儲器存儲一些專(zhuān)家經(jīng)驗，用來(lái)初步確定整定目標域，同時(shí)也存儲遺傳算法的每代樣本數據及控制參數。 嚴格地說(shuō)，遺傳算法的迭代何時(shí)停止，在理論上尚無(wú)定論。在許多應用實(shí)例中，若發(fā)現群體中個(gè)體的進(jìn)化已趨于穩定狀態(tài)，則迭代終止。對于PID參數自整定，調節過(guò)程進(jìn)入相對穩定狀態(tài)，則終止迭代算法。所以把迭代次數等于最大迭代數目M或者精度調節變化量小于某個(gè)預設值作為算法終止的條件， 4.2 軟件實(shí)現 基于模塊化思想，系統軟件設計部分由C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)而成，發(fā)揮了C語(yǔ)言高效運算和快速開(kāi)發(fā)以及匯編語(yǔ)言的靈活的特點(diǎn)。系統軟件主要完成輸出設定、電流調整等功能。包括主程序、A／D采樣子程序、D／A輸出電流給定值及按鍵控制、PID算法子程序、混合最優(yōu)算法子程序、LCD顯示等其他子程序。 5 系統功能測試 (1)系統輸出電流范圍為10mA～4000mA； (2)具有3種步長(cháng)可選的電流步進(jìn)功能，可通過(guò)“+”、“-”按鍵方便地進(jìn)行正負步進(jìn)調整； (3)可交替顯示電流的給定值和實(shí)測值，實(shí)際測量輸出電流誤差的絕對值≤測量值的0.1％+1mA； (4)改變負載電阻，輸出電壓在10V以?xún)茸兓瘯r(shí)，輸出電流的絕對值≤輸出電流值的0.1％+1mA； (5)紋波≤0.15Ma 6 結論 本數控直流電流源系統以Atmega128為主控制器，采用軟硬件雙閉環(huán)反饋方法，使電源的穩定性和輸出精度得到保證，并有普通穩壓源實(shí)現了穩流輸出。通過(guò)按鍵來(lái)設置電流源的輸出電流，設置步進(jìn)級可選。在系統設計過(guò)程中，力求硬件電路參數合理，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，發(fā)揮軟件編程靈活的特點(diǎn)，通過(guò)多次調試，不斷提高系統的精度和電流的穩定性，以滿(mǎn)足系統的設計要求。 |
