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基于混合最優(yōu)算法的高精度數(shù)控直流電源設(shè)計

作者:陳偉杰 張虹 時間:2008-08-06 來源:中電網(wǎng) 收藏

  1 設(shè)計任務(wù)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/86683.htm

  設(shè)計并制作。輸入交流200~240V,50Hz;輸出直流電壓≤10V。原理框圖如1所示。

 

  要求:輸出電流范圍:200mA~2000mA;可設(shè)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(diào)整功能,步進(jìn)≤10mA;紋波電流≤2mA;改變負(fù)載電阻,輸出電壓在10V以內(nèi)變化時,要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1%+10mA。

  2 系統(tǒng)設(shè)計方案

  鑒于目前源一般采取運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路與結(jié)合,設(shè)計方案大多為開環(huán)系統(tǒng),主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示,沒有對輸出電流進(jìn)行檢測和控制。本文在傳統(tǒng)電路設(shè)計的基礎(chǔ)上,利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理,引入電流負(fù)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(yùn)算放大器的反向輸入端,實現(xiàn)負(fù)反饋,形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng);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(qiáng)的直接搜索法結(jié)合在一起,設(shè)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)化過程的“粗調(diào)”,同時利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優(yōu)化過程的“微調(diào)”,集中了兩者的優(yōu)點,而克服了兩者的弱點,得到的目標(biāo)函數(shù)值較遺傳退火策略更優(yōu),而且一致性更好,用于PID參數(shù)整定是具有整定速度快,調(diào)節(jié)時間短,穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點。同時結(jié)合PID算法,形成軟件閉環(huán),實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。

  系統(tǒng)工作原理如下:由鍵盤預(yù)置電流值,輸入到;采樣電阻采集的電流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入,當(dāng)兩值之差絕對值為零或不大于設(shè)定值時,不作任何調(diào)整;當(dāng)兩值之差大于設(shè)定值時,運(yùn)用PID算法進(jìn)行調(diào)整,送人D/A轉(zhuǎn)換,調(diào)整輸出電流,直到差值在允許的范圍內(nèi)。單片機(jī)控制液晶顯示電流的設(shè)定值、實際輸出值和電流步進(jìn)值。其原理示意圖如2所示。

 

  3 硬件電路設(shè)計

  由自制電源電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換電路、恒定電路、A/D轉(zhuǎn)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單片機(jī)

  目前大多數(shù)控恒流源設(shè)計方案是以51系列單片機(jī)作為電流源控制器,該系列單片機(jī)性價比高,接口電路開發(fā)成熟,應(yīng)用廣泛。但其執(zhí)行速度慢,集成的電路穩(wěn)定性差,且容易受干擾,內(nèi)部沒有看門狗電路,容易死機(jī),沒有集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片。與51系列單片機(jī)相比,ATmega128具有高速運(yùn)行處理能力,電路穩(wěn)定性好,內(nèi)部有可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時器,帶有8通道單端或差分輸入的10位A/D轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)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器,實現(xiàn)高精度的PID算法。

  控制器主要實現(xiàn)以下功能:(1)控制鍵盤輸入電流設(shè)定值;(2)控制A/D轉(zhuǎn)換電路把實測電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;(3)比較電流設(shè)定值與實測值的大小,根據(jù)比較結(jié)果,用PID算法進(jìn)行調(diào)整;(4)控制D/A轉(zhuǎn)換電路把調(diào)整好的數(shù)字電流量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量;(5)顯示設(shè)定電流值、實測電流值和步進(jìn)電流值;(6)記錄故障持續(xù)時間。

  3.2 恒定電流源設(shè)計

  本設(shè)計采用集成有運(yùn)放的線性恒流源。電路由兩個低漂移運(yùn)放LM358、晶體管TIP41C、負(fù)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,如圖3所示。

 

  采樣電阻Rf將電流信號以電壓的形式加到運(yùn)放的輸入端,構(gòu)成電流并聯(lián)負(fù)反饋電路,減輕后級電路對D/A的影響,同時可以得到恒流輸出,使電流源具有較好的穩(wěn)定性。TIP41C是大功率晶體管,工作在線性放大區(qū)時,最大集電極電流為4 A,放大倍數(shù)為20~70倍。

 

  負(fù)載電流僅由輸入電壓決定,而與負(fù)載R的大小無關(guān)。由于運(yùn)放電源的限制,負(fù)載只能在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)輸入電壓不變時,負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化,輸出電流將保持不變,構(gòu)成恒流源電路。

  本方案的另外一個特色是,采用康銅絲組成采樣電阻,康銅絲的溫度系數(shù)為5ppm/℃,通過電流時引導(dǎo)起的溫度升高對其電阻阻值并不會有太大影響,溫度特性好,同時采用反向?qū)ΨQ繞法把其繞制成空心繞線電阻,以減少繞制電阻時產(chǎn)生附加的電感,達(dá)到減少紋波電流的目的。為保證足夠的V-I轉(zhuǎn)換精度,電路中各電阻應(yīng)選用精密電阻。

  3.3 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計

  本系統(tǒng)的電流測量部分由12位A/D芯片TLC2543構(gòu)成,該芯片是一種12位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器,芯片共有11個模擬輸入通道。芯片的串行三態(tài)輸出數(shù)據(jù)端、輸人數(shù)據(jù)端、輸入/輸出時鐘3個控制端能形成與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸較快和較為有效的串行外設(shè)接口。12位A/D可以達(dá)到該系統(tǒng)的1%+1mA的精度要求。

  3.4 聲光報警電路

  數(shù)控直流電流源有過流保護(hù)功能,即當(dāng)實際電流輸出超4000mA,可實現(xiàn)報警,并使輸出電流降為0mA。

  3.5 自制電源模塊設(shè)計

  本設(shè)計需要12V及5V直流電壓。整個系統(tǒng)的電壓外接220 V交流電壓,將外接電壓通過整流變壓器得到15 V左右交流電壓,再經(jīng)過電橋整流得到直流電壓,15 V直流電壓經(jīng)過電容的濾波,然后再通過三端穩(wěn)壓塊7805轉(zhuǎn)換得到5 V電壓,通過三端穩(wěn)壓塊7812得到12 V電壓。

  3.6 人機(jī)交互界面

  與數(shù)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(qiáng),字符操作方便等特點,并且編程容易,占用控制器的資源不多等優(yōu)點。本設(shè)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(shè)定方式,當(dāng)二者交替點亮表示當(dāng)前為交替顯示電流的給定值和實測值,LED3、LED4、LED5分別指示3種步長(1mA、10mA、100mA)。

  因編碼鍵盤掃描采用中斷方式,具有占用I/O口較少的優(yōu)勢,本設(shè)計采用2×8編碼鍵盤,共16個按鍵。編碼鍵盤采用硬件電路代替軟件判斷按鍵編號的方式,當(dāng)按鍵按下時,鍵盤通過優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼,編碼器同時向單片機(jī)發(fā)出中斷信號,單片機(jī)讀取鍵號,調(diào)用按鍵子程序進(jìn)行相應(yīng)處理。

  3.7 D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計

  為實現(xiàn)輸出電流范圍10mA~4000mA、步進(jìn)1mA的要求,應(yīng)選用分辨率高的DAC,本設(shè)計采用MAX538為D/A轉(zhuǎn)換電路的核心器件。

  MAX538是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器,具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高、功耗低等特點。本芯片為8腳串口數(shù)據(jù)輸入D/A轉(zhuǎn)換芯片,占用單片機(jī)引腳資源少,程序編輯方便,外圍電路擴(kuò)展簡單。由于MAX538具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為4.096V,由公式()可得MAX538輸出電壓精度為1(mV),加在阻值為1Ω的康銅絲電阻兩端可使其產(chǎn)生1(mA)電流(即步進(jìn)1mA),試驗顯示能達(dá)到指標(biāo)。

  3.8 系統(tǒng)的組成

  (1)控制器件:ATmega128單片機(jī);

  (2)鍵盤輸入電路:2 × 8編碼鍵盤;

  (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)記錄故障時間:ATmega128單片機(jī)內(nèi)置的定時器/計數(shù)器;

  (7)A/D轉(zhuǎn)換器:TLC2543;

  (8)D/A轉(zhuǎn)換器:MAX538;

  (9)自制電源模塊:整流變壓器、整流橋、電容、三端穩(wěn)壓塊7812及7805


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