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基于混合較優(yōu)算法的高精度數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)

2008年08月15日14:54:14 51電子網(wǎng) 我要評(píng)論(2)字號(hào):T | T | T
1 設(shè)計(jì)任務(wù)

  設(shè)計(jì)并制作數(shù)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(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(duì)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?xún)?nèi)變化時(shí),要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1%+10ma。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

  鑒于目前數(shù)控直流源一般采取運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)結(jié)合,設(shè)計(jì)方案大多為開(kāi)環(huán)系統(tǒng),主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示,沒(méi)有對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)和控制。本文在傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(diào)”,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(diào)”,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(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(shí)間短,穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合pid算法,形成軟件閉環(huán),實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。

  系統(tǒng)工作原理如下:由鍵盤(pán)預(yù)置電流值,輸入到單片機(jī);采樣電阻采集的電流信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī),當(dāng)兩值之差絕對(duì)值為零或不大于設(shè)定值時(shí),不作任何調(diào)整;當(dāng)兩值之差大于設(shè)定值時(shí),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(shí)際輸出值和電流步進(jìn)值。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

  數(shù)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(jī)較小系統(tǒng)、d/a轉(zhuǎn)換電路、恒定電流源電路、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atmega128單片機(jī)

  目前大多數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)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?xún)r(jià)比高,接口電路開(kāi)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(méi)有看門(mén)狗電路,容易死機(jī),沒(méi)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(mén)狗定時(shí)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(shí)器,實(shí)現(xiàn)高精度的pid算法。

  控制器主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)控制鍵盤(pán)輸入電流設(shè)定值;(2)控制a/d轉(zhuǎn)換電路把實(shí)測(cè)電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;(3)比較電流設(shè)定值與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)電流值和步進(jìn)電流值;(6)記錄故障持續(xù)時(shí)間。

3.2 恒定電流源設(shè)計(jì)

  本設(shè)計(jì)采用集成有運(yùn)放的線性恒流源。電路由兩個(gè)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。

  采樣電阻rf將電流信號(hào)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(jí)電路對(duì)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(wěn)定性。tip41c是大功率晶體管,工作在線性放大區(qū)時(shí),較大集電極電流為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(wú)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(shí),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(gè)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(guò)電流時(shí)引導(dǎo)起的溫度升高對(duì)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?qū)ΨQ(chēng)繞法把其繞制成空心繞線電阻,以減少繞制電阻時(shí)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(jì)

  本系統(tǒng)的電流測(cè)量部分由12位a/d芯片tlc2543構(gòu)成,該芯片是一種12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近a/d轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)端、輸人數(shù)據(jù)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(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(bào)警電路

  數(shù)控直流電流源有過(guò)流保護(hù)功能,即當(dāng)實(shí)際電流輸出超4000ma,可實(shí)現(xiàn)報(bào)警,并使輸出電流降為0ma。

3.5 自制電源模塊設(shè)計(jì)

  本設(shè)計(jì)需要12v及5v直流電壓。整個(gè)系統(tǒng)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(wěn)壓塊7805轉(zhuǎn)換得到5 v電壓,通過(guò)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(diǎn),并且編程容易,占用控制器的資源不多等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用lcd1602顯示0~2300ma電流,發(fā)光二極管led1、led2指示電流測(cè)量方式和電流設(shè)定方式,當(dāng)二者交替點(diǎn)亮表示當(dāng)前為交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值,led3、led4、led5分別指示3種步長(zhǎng)(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(shì),本設(shè)計(jì)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(hào)的方式,當(dāng)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(jī)發(fā)出中斷信號(hào),單片機(jī)讀取鍵號(hào),調(diào)用按鍵子程序進(jìn)行相應(yīng)處理。


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