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1、数字式恒流电源的研究摘 要本设计以AVR单片机为核心，通过A/D、D/A转换、DC/DC变换及PID算法利用PWM技术实现了高精度的，电流输出范围为20mA2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，50mA步进。本系统采用单闭环负反馈PID(比例、积分、微分)算法控制，缩短上升时间，减小超调量，减小了输出电流的偏差。系统采用中文LCD提供显示支持，可同时显示设定值，实际值以及其他相关信息。我们自行设计了15V、+12V和5V电源为系统供电。关键字：数控恒流源 AVR PWM PID DC/DC转换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 录第一章 绪 论- 1 -1.1 恒流源简介- 1 -1.1.1 恒流源的定义- 1 -1.1.2 恒流源的分类- 1 -1.1.3 恒流源
5、的应用- 1 -1.1.4 恒流电源的发展过程- 5 -1.2 国内外发展现状与趋势- 5 -1.3 课题的意义和目的- 7 -1.4 本文所作的主要工作- 7 -第二章 理论分析及可行性方案论证- 8 -2.1 恒流电源工作特性分析- 8 -2.2 开关电源几种电路类型- 9 -2.2.1 降压型（Buck）变换器- 9 -2.2.2 升压型（Boost）变换器- 11 -2.2.3 极性反转升降压（BuckBoost）变换器- 12 -2.2.4 Cuk变换器- 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相关概念- 17 -2.
6、4 开关电源的控制算法- 17 -2.5 本章小结- 22 -第三章 电源系统硬件设计- 23 -3.1 系统硬件总体结构- 23 -3.2 工作原理和流程分析- 24 -3.3 AVR控制器电路- 24 -3.4 可调电流源主电路- 25 -3.5 数据采集和数据输出- 26 -3.6 反馈电路- 28 -3.7 人机交互接口- 29 -3.7.1 键盘输入模块- 29 -3.7.2 LCD液晶显示模块- 30 -3.8电源供电电路- 32 -3.9 接口及保护电路- 33 -3.9.1 接口电路- 33 -3.9.2 滤波扼流电路的设计- 35 -3.10 本章小结- 37 -第四章 软件
7、程序设计- 38 -4.1主程序模块- 38 -4.2闭环比较子程序模块- 38 -4.3 电流设置子程序模块- 42 -4.4 键盘中断子程序模块- 43 -4.5 显示中断子程序模块- 43 -4.6 PWM调制子程序模块- 44 -4.7 本章小结- 44 -总 结- 46 -致 谢- 47 -参考文献- 48 -附录1：数字是恒流源原理图- 50 -第一章 绪 论1.1 恒流源简介1.1.1 恒流源的定义所谓恒流源也称电流源或稳流源,即对应于一定的电压变化所产生的电流变化趋于零,电流是一个恒定值,有很高的动态输出电阻,具有这种特性的器件称之为恒流源。一言以蔽之，能够向负载提供恒定电流的
8、电源称作恒流源。理想的恒流源其输出是绝对不变的，但实际的恒流源只能在一定范围内保持输出电流的稳定性。1.1.2 恒流源的分类按照调整方式不同，恒流源可分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源；其中，间接调整型恒流源根据调整元件的工作状态不同，又可分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源和组合调整型恒流源；按照输出电流的性质不同，可分为直流恒流源和交流恒流源。本文所研究的恒流源即为直流恒流源。1.1.3 恒流源的应用1. 在LED驱动中的应用LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点，近年来在各行业应用得以快速发展，LED恒流源成了关注热点，理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过
9、程中，由于LED恒流源的设计及驱动方式选择不当，致使LED极易损坏。由于LED的生产厂家及LED规格不同，电流、电压特性均有差异。现以白光LED比较常见的规格为例，按照LED的电流、电压变化规律进行说明，一般应用正向电压为3.0-3.6V左右，典型值电压为3.3V，电流为20mA，当加于LED两端的正向电压超过3.6V后，正向电压很小的增加，LED的正向电流都有可能会成倍增涨，使LED发光体温升过快，从而加速LED光强减弱，使LED的寿命缩短，严重时烧坏LED。由LED的电压、电流变化特性，进而导致对LED驱动的设计提出了严格要求。当前很多厂家生产的LED灯类产品，采用阻、容式降压，然后加上一
10、个稳压二极管稳压，对LED上电。这样的LED恒流源方式存在极大缺陷，首先是效率低，在降压电阻上消耗大量电能，甚至有可能超过LED所消耗的电能，且无法提供大电流驱动，因为电流越大，消耗在降压电阻上的电能就越大，因此很多产品的LED不可以采用并联方式，而采用串联方式降低电流。其次是稳定电压的能力极差，无法保证通过LED电流不超过其正常工作要求，设计产品时都会采用降低LED两端电压来供电驱动，这样会使LED亮度降低。采用阻、容降压方式驱动LED，LED的亮度不够稳定，LED的亮度会随着电压的变化而变化。阻、容降压方式驱动LED的最大优势是成本低。根据LED电流、电压变化特点，采用恒压驱动LED是可行
11、的，虽然常用的稳压电路，存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点。与上述几种方法相比，最为理想的驱动LED的方式应为采用恒流源方式，它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，与此同时，恒定的电流可以保持LED的亮度稳定。因此众多厂家选用恒流方式的LED恒流源。图1.1 LED伏安特性曲线图1.2 LED光通量与前向电流的关系2.在精密仪器测量中的应用在目前我们所使用的电流表的校验方法中必须用到恒流源。校验过程为，将待校的电流表与标准电流表串接于恒流源电路中，调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流表指示是否正确。在一些精密测量领域中，如电流电压法测电阻值、电桥供电中，恒流源同
12、样充当非常重要的角色。此外，我们日常生活中，各种根据辉光放电原理制成的电光源，如应用于城市照明中的氖灯，这种光源一旦被点燃，管内稀薄气体迅速电离。由于离化过程中放电管中的电流将随时上升，所以，此时在灯管上供以恒定电压会使其不稳定的，电流值可能增大到使灯管降低使用寿命甚至损坏。为了稳定放电电流，让灯管尽快达到稳定的工作状态，采用恒流源供电是最好的解决办法。在使用时为防止电流冲击，一般的解决办法是通过调压器或限流电阻逐步加大电流是电流逐渐达到额定值，这种方法既不安全，又不方便。因此，采用恒流源供电是较为合理的解决办法。3.在传感器中的应用目前，传感器已经广泛的应用在人们的生产生活的各个角落，例如热
13、敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器，这些传感器常常采用恒流源供电。例如:霍尔式压力传感器的电源就使用恒流源。其公式: EH = KH I B , 式中: EH 为霍尔电势 (mV) ; I 为通过半导体的电流(mA) ; B 为磁感应强度( T) ; KH 为霍尔元件灵敏度系数(mV/ mAT) 。在实际应用中I 和B 两个量之一保持常数的话,则另一个作为输入变量,引起输出电压EH 与输入量成比例。所以为使所产生的霍尔电势与待测量成单一的线性关系,必须保证给霍尔元件提供恒定的直流电流I ,故要配备恒流源。使用恒流源的原因不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的，还因为这样可以有效的避免连接传感
14、器的导线电阻和接触电阻的影响。图1.4 方形孔压力传感器4现代大型仪器中稳定磁场的产生在许多现代医疗诊断仪器中，常常用到恒流源。如超导磁源成像仪和CT断层扫描仪中的磁场均要求很稳定，以免产生严重的测量误差，造成巨大的损失。若使用稳压电源对其供电，电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，进而使供电电流变化，导致磁场不稳定。如用恒流源供电即可有效克服上述缺点，达到预期效果。因此，凡是对磁场的稳定程度要求十分严格的装置必须采用恒流源供电。同理，核物理实验装置中的质谱仪、粒子加速器、频谱仪等必须采用恒流源供电。5在其他领域中的应用除此之外，有线通信远供电源，电解、电泳、电镀等化学领域装置的电源，电子
15、束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须采用恒流源作为供电设备。1.1.4 恒流电源的发展过程恒流电源从诞生开始到现在发展是比较迅速的，同时具有广泛的应用，依据核心器件的发展其发展大致可分为三个阶段，分别为第一阶段的电真空器件恒流源；第二阶段的晶体管恒流源以及现在的集成电路恒流源。电真空器件恒流源主要由镇流管构成，镇流管具有稳定电流的功能，多用于交流电路，因此常被用来稳定电子管的灯丝电流，使用方法为将镇流管和负载串联，即可构成直接调整型恒流源。在上世纪60年代以后采用晶体管做调整元件的晶体管恒流源得到迅速发展，并在实际中获得了广泛的应用。但是随着半导体集成技术的发展，集成电路恒流
16、源提高了稳定性和可靠性，替代晶体管恒流源已经成为势不可挡的趋势。1.2 国内外发展现状与趋势我国的电源产业，始于上世纪60 年代中期， 90年代后，进入快速发展时期。总体现状为电源产业规模的发展在加快；与此同时，在国家自然科学基金的资助下或创新意识不断增强的情况下，我国电力电子技术的研究从消化吸收为基点，已经发展为可以跟踪世界专业前沿并做一些基础创新。研制生产出了一些技术难度较大、具有国际先进水平的产品，而且还取得了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究和创新性研究。但是我国电源产业与一些发达国家的同类行业相比，仍然存在着很大的差距和不足：在产品的质量
17、、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、检测设备、智能化、人员专业素质、持续创新能力等方面的差距为1015年。目前国内在这两方面研究比较多的包括广州的华南理工大学和成都电子科技大学，主要是采用可编程系统器件(PSD)或单片机来控制开关直流电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的同行业相比较，还有很大的差距。目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4000 家以上，产值有300400亿元，生产规模和产值巨大，但国内企业(著名的如北京大华、江苏绿扬等)销售的数控直流恒流电源大多是代理欧美和日本的产品，国内厂家生产的直流恒流电源虽然也朝着向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现
18、多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。就行业总体形势来讲，恒流源作为稳定电源的一个分支，在近五十年间得到巨大发展，构成恒流源的核心器件已由早期的电真空结构的镇流管进入到半导体集成电路时代。恒流源涉及的范围也由传统的稳定电磁场、校正电流表等，扩展至激光、超导、通信等领域，展示了广阔的应用前景。传统的恒流源的设计思路主要包括以下几种：1.利用稳压源和电阻改制的恒流源；2.用恒流器件构成的恒流源；3.负反馈放大器构成的恒流源。几种恒流源方式各有优势和缺点，分别适于不同特定的应用环境。进入2l世纪后，随着信息技术的快速发展，数字恒流源已经成为恒流源由模
19、拟恒流源向未来进步的一个方向，特别是成熟的计算机技术给予了数字恒流源更大的发展空间。目前，制作功耗较大、稳定性低、抗干扰能力弱的模拟恒流源的技术已经成熟，而高精度、稳定性好、抗干扰能力强、多级可调的数控恒流源的研制尚处于发展过程阶段。因此，如何把数字技术和现代电力电子器件结合制作出能够稳定应用于工业现场、高精度的数控恒流源就将成为未来一段时间的新课题；同时，具有数字化技术和智能化设计的恒流源也必将成为恒流源的发展方向与必然趋势。1.3 课题的意义和目的随着社会生产力水平不断提高，先进电子技术的迅猛发展，电子设备的应用领域因此变得越来越广泛，目前，恒流源被广泛用于传感技术、机器人技术、电子测量仪
20、器、现代通信、激光、超导等高新技术领域、并且有良好的发展前景。因此，如何为用电设备提供安全可靠、稳定的电源成为摆在现实中需要解决的课题。其中，长期以来人们更多的致力于对稳压源的研究，相比而言，人们对恒流源的研究、设计以及相关资料的查阅都相对有限。在此背景下，研究恒流源有着重要的现实意义和理论意义，本课题将通过数控式直流调压电路来设计直流恒流电源，使其达到结构简单、成本低、效率高、数字化控制及显示，输出电流的质量高，系统的动态响应速度快的最终目标。1.4 本文所作的主要工作本文采用恒流控制技术，设计并制作基于AVR单片机控制的恒流系统，主要完成以下几个方面的任务：1. 构建恒流主电路。采用模块化
21、概念，设计恒流的基础电路，电流闭环反馈控制系统由硬件模拟电路组成，主电路采用全控器件IGBT，恒流控制精度高，深度电流负反馈确保输出电流稳定及输出特性更硬。2. 设计基于ATmega 16单片机的采样反馈控制系统，实现对恒流源的智能化管理及检测，数控单元不但能方便的实现恒流值的设置，而且能够实现恒流值动态调节，调节步进值可以自由选择，最小步距50mA；3. 完善的保护功能，包括过流保护，过热保护，可以吸收负载向电源释放高压浪涌，具有较强的抗干扰能力和稳定性，可以在-2040环境下的工业现场长期工作；4. 友好的人机交互界面。可以在操作上更人性化，更简单，尽量按照用户的习惯来设计操作方式。有校准
22、功能，可以用仪器校准输出电流；5. 能够联网控制，加入串口通信功能。第二章 理论分析及可行性方案论证2.1 恒流电源工作特性分析当输入电压、负载、环境温度等外界条件在一定范围内变化时，电源的输出电流是不变的。而在恒流源的特性图2.1中，即使理想的恒流源是内阻为无穷大、输出电流始终保持在规定值，且与端电压的大小和极性无关的电流源。实际的电流源是内阻和功率都是有限的电流源。当电源为空载，即负载电阻时，输出功率。理想恒流源的外特性是一条垂直于横坐标电流轴的直线。图2.1 （左为理想电流源，右图为实际电流源）而在电路中： (电源外特性曲线呈陡降式接近恒流源。)实际恒流源中，如果负载电阻太大，使电源输出
23、电流不能达到恒流值，那么恒流源的输出电压就会自动升到电源的最大输出电压，只有当负载电阻小到一定的程度，使电源输出电流达到恒流值，电源才真正处于恒流工作状态，随着负载电阻值的逐步减小，输出电压也按相应下降，以保持输出电流的恒定不变。图2.2 电流源外特性图（1表示理想电流源，2表示实际电流源）2.2 开关电源几种电路类型直流电源变换器按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。两者除了均有变压功能外，后者还有输入电量与输出电量在电气上的隔离，以满足某些场合的需要。在非隔离式变换器中。而这章主要是介绍降压型变换器、升压型变换器、电压极性反转型变换器的电路结构、工作原
24、理及相关参数的关系式。在隔离式变换器中，应用双极型晶体管作为开关且开关管自身起着振荡元器件作为的自激式变换器与他激PWM变换器。自激式变换器主要是RCC变换器和Reyer变换器，他激式变换器主要是介绍单端反激式、单端正激式、推挽、半桥、全桥变换电路结构、工作原理。2.2.1 降压型（Buck）变换器降压型（Buck）变换器将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压。输入电压Uin是未经稳压直流电压；晶体VT1为调整管，即开关管UB为矩形波是控制开关管的工作状态；电感L与电容C组成滤波电路，而VD1为续流二极管。降压型变换器有两种基本工作方式，一种是电感电流处于连续的工
25、作模式；一种是电感电流处于断续的工作模式，还有一种是电感电流处于临界连续模式。降压型变换器的原理图及工作波形图如下图2.1所示。图2.3 降压型（Buck）变换器原理图图2.4 （a） VT1导通等效电路图图2.4 (b) VT1关断等效电路图图2.4 （c）VT1关断后电流为零等效电路图2.2.2 升压型（Boost）变换器升压型变换器电路如下图2.5所示。主电路由串联在回路中的储能电感L1，开关管VT1及整流二极管VD1、滤波电容C1。它是一种可以获得输出电压高于输入电压的DCDC变换器。图2.5 升压型（Boost）变换器原理图有两种基本工作方式：电感电流连续模式和电感电流断续工作模式。
26、Boost三种工作状态等效电路图2.6 （a）VT1导通等效电路图2.6 （b）VT1 截止等效电路图2.6 （c）VT1 关断电感电流为零2.2.3 极性反转升降压（BuckBoost）变换器极性反转型 (BuckBoost)变换器主电路所用元器件与Buck、Boost变换器相同，由开关管VT1、储能电感L1、整流二极管VD1及滤波电容C1等元器件组成。这种电路具有Buck变换器降压与Boost变换器升压的双重作用。图2.7 极性反转型 (BuckBoost)变换器原理图工作原理三种等效电路图:图2.8 （a）VT1导通等效电路图图2.8 (b)VT1截止等效电路图图2.8 （c）VT1关断
27、时电感电流为0等效电路图2.2.4 Cuk变换器Cuk变换器是BuckBoost串联变换器它是针对BuckBoost升降压变换器存在输入电流和输出电流脉动值大的缺点。主要电路如下图所示，它由开关管VT1、储能电容器C1、输入储能电感L1、输出储能电感L2、续流二极管VD1及输出滤波电容器C2等元器件组成，开关管VT1由PWM驱动电路控制的，二极管VD1将输入回路和输出回路分开，左半部分是输入回路，右半部分是输出回路。图2.9 Cuk变换器原理图工作原理三等效电路图:图2.10 （a）VT1导通等效电路图图2.10 (b) VT1截止等效电路图图2.10 （c）电流断续等效电路图2.3 PWM的
28、工作原理PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 2.3.1 PWM控制的基本原理1.理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图2.11 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲2.面积等效原理 分别将图2.11
29、所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2.12所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2.12(b)所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图2.12 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量
30、）相等，宽度按正弦规律变化。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。如图2.13所示。图2.13 用PWM波代替正弦半波2.3.2 PWM相关概念1.占空比就是输出的PWM中，高电平保持的时间 与 该PWM的时钟周期的时间之比。例如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说占空比就是1：5。2.分辨率占空比的最小值。3.频率PWM波形周期的倒数。2.4 开关电源的控制算法在介绍开关电源的控制算法之前，我们需要了解控制系统的基本概念，过
31、程控制就是对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。1.模拟控制系统图2.14 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。2.微机过程控制系统以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。图2.15 微机过程控制系统基本框图开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller
32、)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路，所以结构简单，易于实现，但输出误差较大，鉴于本题目对输出误差有严格的要求，所以应该采用闭环控制系统。闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，本系统即采用了闭环负反馈控制系统。在工程实际中，PID（比例、积分、微分）是应用最为广泛的闭环控制规律。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确
33、的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态
34、误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，会使系统在进入稳态后无稳态误差。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑
35、制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 1.模拟PID调节器(1) 模拟PID控制系统组成图2.16 模拟PID控制系统原理框图（2）模拟PID调节器的微分方程和传输函数P
36、ID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。PID调节器的微分方程 （2-1）式中 PID调节器的传输函数 （2-2）(3）PID调节器各校正环节的作用1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2） 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3）微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早
37、期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。2.数字PID控制器（1）模拟PID控制规律的离散化表2-1 模拟PID控制规律模拟形式离散化形式（2）数字PID控制器的差分方程 （2-3）式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项（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算法的两种类型 1）位置型控制 （2-8） 2）增量型控制 （2-9）2.5 本章小结本章主要讨论了恒流源的工作原理、常见的开关型电源、PID控制算法和PWM调制方式在数字实现方式上的分析，确定了系统的总体方案，对各个模块的功能进行了分析。
38、第三章 电源系统硬件设计3.1 系统硬件总体结构数控直流稳压电源的整机框图如图3-1所示，它主要由单片机控制电路、整流滤波电路、稳压电路、DC/DC转换电路、D/A转换电路、采样电路、缓冲放大电路、键盘控制和液晶显示电路等九个模块组成。AVR微控制器是数字直流稳压电源的核心。它通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能操作。我们选用的AVR为ATmega 16，它是整个系统的中枢，接收来自键盘的信息，对输入的信息进行处理，从而确定仪器的工作状态及输出电压的大小。如果发生过热现象，AVR系统能驱动温度保护电路工作。此外，如果上位PC机有请求，能通过串口接口电路与PC机进行通信。DC/
39、DC转换采用开关电源芯片TPS5450，缓冲放大采用精密仪表运放INA118和低噪声运放TLC2202组成，显示电路采用了LCD器件128*64液晶显示。系统框架如图3.1所示。图3.1 系统框架图3.2 工作原理和流程分析本系统整机工作原理：系统上电，首先220V市电通过降压器降为后级电路所需的24V交流电压；再将交流电压整流为脉冲直流电压后经过滤波，由于此脉冲直流电压含有较大的波纹和高频信号，所以必须通过滤波电路加以滤除，才能得到较平滑的直流电压信号；得到的直流电压输入稳压电路中，稳压电路对其进行稳压并输出多路电压，一路为DC/DC模块提供稳定的1218V直流电压，另几路又通过次级降压为液
40、晶、单片机和运放单独供电；稳定的电压送入DC/DC模块保证其正常工作，以实现改变DC/DC模块的输出电流；DC/DC输出电流当流经采样电路中0.01康铜丝上时被采集，采样出来的差值进行可调增益放大，然后放大的电流信号再通过低噪声运放构成的缓冲电路送往单片机片内A/D，最后A/D对采集回来的信号进行转换。3.3 AVR控制器电路AVR单片机是Atmel公司推出的一款基于RISC指令架构的高性能、低功耗的8位单片机。所谓精简指令集RISC（Reduced Instrution Set Computer）是20世纪90年代开发出来的，它是综合了半导体集成技术和软件技术性能的新型微处理器架构，是相对于
41、复杂指令集CISC（Complex Instrution Set Computer）而言的。RISC先使用频率通过最高的简单指令、避免复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令那个周期，提高处理器的运算速度。采用这种RISC结构，使得AVR系列的单片机具备1MIPS/Mhz的高速处理能力。AVR单片机采用哈佛(Harvard)总线结构，程序存储器和数据存储器是分开的。微处理器直接访问全部程序存储器和数据存储器。并且AVR单片机具有ISP（In System Programming）功能。ATmega16芯片引脚图见图3.2。图3.2 ATmega 16引脚图（PDIP）
42、3.4 可调电流源主电路该恒流源主电路是由两个集成运算放大器构成的电流放大电路、负载电阻和采样电阻等构成。其中第一只运放的作用是将主电路的电流经过变换成可以被A/D转换器可以检测的电压值，同时将此输出作为第二只运放的负输入与第二只运放相连。第二只运放作为比较器，它的正输入端的信号由DA转换器提供。根据输出电流范围（200mA2A）和输出直流电压小于15V的要求，我们采用可调2k /2W的负载电阻。为了保证采样电阻尽可能不受输出电压变化的影响，单独采用0.1/10W采样电阻进行电压反馈。控制电路由起始点调整电路和电压叠加电路构成。起始点调整电路的作用是当D/A零输入时，设置Uc的输出电压。为了满
43、足恒流源输出电压的要求并且减小步长提高精度，当D/A输出为零时，Uc的电压调整为 11.9V，从而满足恒流源输出电压的要求。电压叠加电路在起始点调整电路的基础上添加PID算法的调整量。图3.3 可调控制电路原理图3.5 数据采集和数据输出一般条件下，D/A电路输出电压范围控制在00.9V。由于采用10位的D/A芯片，故D/A输出调整电压精度为0.9V / 1024 = 0.87mV。理论上输出电流的最小单位为0.87 mV / 0.1 = 8.7 mA。由于在实际电路中器件存在温度漂移、内电阻等误差，所以实际输出步长不能达到8.7mA。根据实际经验，预留出一定余量，实际输出步长为50mA，我们
44、取8.7mA的5.74倍，约为50mA。图3.4 D/A输出原理图D/A转换器采用MAX5251。MAX5251为4通道，10位D/A转换器。自带16位数据输入/输出移位寄存器，并且每一个D/A通道均集成一个输入寄存器和DAC寄存器。MAX5251的VDD为3.3V，参考电压为0V1.9V。其内部电路如下所示：图3.5 D/A转换芯片MAX5251内部电路图3.6 D/A输出原理图如上图所示，D/A转换器通过3根串行线与AVR的同步外围串行接口连接。其中DOUT为串行数据输出口，DIN为串行数据输入口，发送和接受16位数据。SCLK为串行时钟线接口, 为片选信号输入口，低电平有效，为复位信号输
45、入线，低电平有效。在置低时，串行数据输入线上的数据可在串行时钟信号上升沿时按位写入移位寄存器，并在之后的 信号上升沿时将移位后的数据写入输入寄存器。写入数据的前4位为命令控制位，然后为10位数据位，最后两位无功能。通过对命令控制位的不同赋值，可实现D/A转换器的不同操作。3.6 反馈电路由于采样电阻为0.1，故反馈输入电压为0.02V0.2V。为了抑制干扰，我们将信号放大10倍，使反馈输出电压为0.2V2V。同时采用截止频率为10Hz的无源低通滤波器，滤除工频干扰和器件噪声。为了使反馈电压不大于A/D通道的最大输入电压，电路里又添加了限幅保护电路，有效的保护A/D正常工作。图3.7 D/A反馈原理图3.7 人机交互接口人机交互接口可以分为输入和输出两部分，其中输入部分主要为键盘输入模块，输出部分为LCD液晶显示模块。3.7.1 键盘输入模块图3.8 键盘原理图在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3.8所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，
