数控直流电电源(F题

1、数控直流电电源 摘要：摘要：本系统以AVR Mege16单片机为控制器，通过闭环PID算法以实现输出 直流电流的高精度、宽量程控制。通过系统的自带键盘，可预置、步进调整、 数字显示输出的直流电流。该直流电流源的性能稳定、带负载能力强。 Abstract：The controller of the system is the AVR Mege16The closed loop PID arithmetic is used to realize high precision and wide range control of output DCThe intelligent current sou

2、rce realizes that the output current can be preset，adjusted step by step and displayed in digit directlyThese functions are operated by serial communication port keyboard within the current sourceThe stability of this current source is very high and its loading capacity is strong 数控直流电电源数控直流电电源.1 一、

3、方案论证与比较一、方案论证与比较.2 1 1、 自制稳压电源自制稳压电源.3 2 2、单片机控制系统、单片机控制系统.5 2 2、 V/IV/I 转换电路转换电路.5 二、理论计算与分析二、理论计算与分析.8 PIDPID 算法的程序实现算法的程序实现.9 三、系统测试三、系统测试.10 1 1、调试方法和过程、调试方法和过程.10 2 2、测试仪器、测试仪器.10 3 3、测试数据、测试数据.10 四、结论四、结论.10 五、参考文献五、参考文献.11 一、方案论证与比较一、方案论证与比较 根据题目要求，整个系统可以分为稳压电源电路、单片机控制系统、电压 电流(V/I)转换电路、键盘显示电路

4、，如图(1)。 MCU A/D V/I转换D/A 键盘LCD自 制 稳 压 电 源 +5v +12v Iout RL 图 1系统图 1 1、自制稳压电源自制稳压电源 由于单片机控制系统和负载需要的电流不同，所以我们分别选用了容量 30W 和 60W 的变压器，分别给这两部分制作供电电源。 关于控制部分，主要提供给单片机+5V 直流电,它的电源电路比较简单， 没有什么特别要求，所以我们对其方案没有多加考虑，具体电路如图(2)。 图 2控制系统电源电路 对于要求输出 2000mA 的负载电路来说我们仔细讨论方案，并一一比较， 这里仅对负载电源电路的方案选取两个进行比较： 方案一：方案一：考虑负载电

5、流较大，我们采用大功率、可调集成电源 LM338 制 作，如图(3)，LM338 的额定电流可达到 5A，所以带动负载应该没问题。 图 3负载电源电路 方案二：方案二：采用 7815 输出直流 15V，再用 TIP122 扩展电流，使其能够产大 于 2000mA 的负载电流，如图(4)。 图 4改进后的负载电源电路 采用方案一时，在实际使用中，由于负载跟稳压电源的电流是同样大小的 电流，负载电流一变化，引起电源电流也同样变化，LM338 发热很厉害，对整 个系统影响，纹波电流也很大，不容易满足要求。而采用方案二时，由于 TIP122 的存在，使得负载电流的变化对电源电流的影响不大，当然由电网电

6、压 引起的纹波，也对负载的影响较小，使整个系统纹波电压较小，满足题目要求。 同时，TIP122 发射极所接的两个电容，一个起到滤波，一个起到高频抗干扰作 用。 2 2、单片机控制系统、单片机控制系统 方案一：方案一：采用 AT89S52 单片机为主进行控制。如图(5)。 AT89S52 D/A A/D 图 5 方案二：方案二：采用 AVR Mege16 单片机为内核进行控制，其 A/D、D/A 芯片分 别选用 MAX 公司的 538 和 188。如图(6)。 Mege16 D/A MAX538 A/D MAX188 图 6 这两个方案的总体思路上没有什么区别，但由于 Mege16 单片机基于精

7、简 指令 RISC 指令集，强调寄存器的使用、通用寄存器的扩充与优化，比较 51 系 列单片机速度快，功耗低，所以我们选用了第二个方案。 2 2、V/IV/I 转换电路转换电路 利用单片机将被预置的电流值通过换算由 MAX538 进行 DA 转换，以 输出电压，驱动 V/I 转换实现电流输出，V/I 转换电路，主要利用三极管的放 大区电压与电流成线性关系来实现对输出电流的控制。 方案一：方案一：采用普通运放 LM324 接 D/A 输出来控制，利用三极管组成达林 顿电路，以实现大电流输出。如图 7。 图 7V/I 转换电路 1 方案二：方案二：V/I 转换电路由精密运放 TLV2262 与晶体

8、管 T1，T2 组成的达林 顿电路构成。利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路得到稳定的恒流 输出，使系统带负载能力强。其输出范围达到 03A。在 V/I 转换电路的输出 回路中引入一个反馈电阻 Rf，输出电流 I0经反馈电阻 Rf 得到一个反馈电压, 通过 R3 加到运算放大器的反相输入端，其同相的输入电压由 MAX538 的 7 脚输 出，运算放大器组成了射随器，当负载变化，引起电压变化时，通过负反馈使 得电路很快恢复稳定， 因为电流很大，所以 Rf 采用大线径康铜丝制作，其温度系数很小(5ppm/C)， 大线径可使其温度影响减至最小，此处选用的是 l/5w 的大功率精密电阻。在 选三

9、极管时，T2 选用了大功率管，且使用散热片，以保证管子工作在线性区。 为了更有利于散热，我们还加了风扇，实验结果表明，加风扇后的系统更为稳 定。 图 8 V/I 转换电路 2 3 3、键盘及显示电路键盘及显示电路 方案一：方案一：键盘采用 44 行列式键盘，如图(9)，其原理很简单，不在这里 赘述。除了 0-9 十个数字键外，还有一个确认键，一个开始键，一个加 1 键， 一个减 1 键，一个加 10 键，一个减 10 键，刚好十六个键分配完。 方案二：方案二：采用三个键，一个加，一个减，一个判断加减级别。采用中断技 术来进行置数和加减置数。经实验决定采用第二种，因为键数越多，判断按键 时间越长

10、，在液晶上显示的时间也就越长，从而导致不稳定，所以选择方案二。 为了更能体现人机交互的友好界面，我们在显示电路采用金鹏公司出产的 12864 的液晶作显示。 图9 二、理论计算与分析二、理论计算与分析 系统软件设计（图 10）： 开始 系统初始化 键盘检测 串口检测 D/A PID算法 D/A 电流显示 图10 PIDPID 算法的程序实现算法的程序实现 在本系统中，采用离散增量 PID 算法，具体控制过程为：单片机经 AD 芯片读出实际输出电流 I1，然后和设定电流 I2 相比较，得出差值 E=I1 一 I2，单片机根据 E 的正负大小，调用 PID 公式，计算出本次电流调节的增量 I，然后

11、根据前一次 D/A 芯片输出电流 I0，计算出本次电流输出 I。 I=KP(EKEK一1)+KIEK+KD(EK一2EK-1l+EK-2) =KP(EK EK-1 )+ K1 KK+KD(EK- 2EK一1+ EK一2) 根据此公式编制出PID算法程序，使用PID算法能否达到设计的调节品质，只要 调好三个关键参数KP比例系数、KI积分系数和KD微分系数即可。各个参数的取 值大小分别对系统的性能有不同的影响。 (1)比例系数KP对系统的影响KP加大，使系统的动作灵敏，速度加快， 稳定误差减小；KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长；KP太大时，系统会趋 于不稳定；KP太小，又会使系统的动作缓慢。

12、(2)积分系数KI对系统的影响 积分作用使系统的稳定性下降，KI小， 积分作用强，会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 (3)微分系数KD对系统的影响 微分作用可以改善动态特性，KD偏大， 超调量较大，调节时间较短；KD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长只有 KD合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 PID控制参数整定方法用经验法，其步骤为： (1)仅用P控制器，(TI为无穷，TD为0)，KP由小到大，设1/4衰减曲线，高此 时P控制的参数KP* (2)PI控制器，令KP= KP*/2，TI由大到，使稳态精度在要求的范围内，确定 TI (3)令TD=1/5TI左右。 三、

13、系统测试三、系统测试 1 1、调试方法和过程、调试方法和过程 采用先分别测试各单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法，很好的 提高了调试的效率。 2 2、测试仪器、测试仪器 PC 机 TEKTRONIX 数字双踪示波器 ESCORT97 数字万用表 DF1931 双输入交流低频毫伏表 3 3、测试数据、测试数据 给定电流(mA)负载(欧)输出电流(mA)纹波电流(mA)输出电压(V) 150101630496 249501090977 500 5.650302822660 11004020000995 210020186204 1000 5.6101103595350 15001150802171495 215040264298 5.615110470801 12000025719792000 22006