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【风采汇】+ 数控恒流源设计
阅读: 2540 |  回复: 7 楼层直达

2019/10/11 19:25:58
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翼飞DIY
电源币:4 | 积分:1 主题帖:2 | 回复帖:0
LV1
士兵

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数控直流电流源

一、设计方案工作原理

1、预期实现目标及系统工作原理

本题要求设计并制作一台数控直流电流源。输出电流可通过按键进行设定,利用A/D转换器采集输出电流与负载电压,通过显示器显示设定电流值、实际电流值、实际电压值等电源参数。系统结构如图(1)所示,系统分为数字控制器模块、按键模块、显示模块、功率模块、信号处理模块等。

图(1)系统结构框图

2、技术方案分析比较

(1)电流源的论证与选择

由于电流源是本系统的重要核心,其性能的好坏直接影响控制系统的精度,所以进行多种方案的比较。

方案1:使用TPS5430开关电源芯片构成电流源,利用数字电位器,控制输出电流的大小。

优点:电路结构简单,自带闭环控制,电路效率高达90%左右;

缺点:其输出电压最小为1.221V,电源纹波较大。

方案2:使用三极管、运算放大器等分立器件构成电流源,通过D/A转换器控制输出电流大小。

优点:所构成的电流源属于线性电源,输出纹波低;

缺点:电路效率低。

综合考虑,因题目并没有对电源效率做要求,故最终采用方案2,利用三极管、运算放大器等分立器件构成一个可调稳压电源,由于单独的一只三极管对功率的放大作用有限,所以使用2只NPN三极管构成NPN型达林顿管。利用单片机对D/A转换器进行控制,D/A转换器的信号进过放大后加至达林顿管基极,经过测试,满足系统的设计要求。

(2)辅助电源的论证与选择

本系统控制部分需要单独的辅助电源,而且对电源质量有严格要求。

方案1:利用变压器的辅助绕组,经过整流、滤波后,再送入三端稳压器稳压,得到辅助电源。

优点:输出纹波低,电源质量高;

缺点:电路效率低。

方案2:采用开关电源芯片构成稳压电源,作为辅助电源。

优点:电路效率高,重量轻;

缺点:电源纹波与噪声较大,对系统干扰大。

综合考虑,最终选用方案1,利用变压器的辅助绕组,经过整流、滤波后,再送入三端稳压器稳压,得到辅助电源,而且线性电源本身纹波及噪声较小,能够保证质量较好的电能提供。通过实验,满足系统设计要求。

(3)系统控制芯片的论证与选择

方案1:采用MSP430作为主控芯片,对系统进行控制及运算处理。

优点:功耗低;

缺点:MSP430属于16位单片机,运算速度较慢。

方案2:采用STM32F103作为主控芯片,对系统进行控制及运算处理。

优点:运算速度快,内部外设丰富;

缺点: 功耗较大。

综合考虑,最终选用方案2,因为题目并没有对功耗做要求,所以使用已有芯片,控制较好,满足系统设计要求。

(3)电流检测论证与选择

由于本电路需要精准的电流控制,因此精准的电流检测是必不可少的。

方案1:康铜丝作为检流器件,使用TI的电流检测器IN28X进行放大,再加入电压跟随器。

优点:电路简单,检测精度高;

缺点:对检流电阻、分压电阻精度要求高,成本较高。

方案2:采用高精度军工电阻进行采样,使用OP177进行采样信号放大,将放大后的信号送入A/D转换器。

优点:成本低,检测精度高;

缺点:对检流电阻精度要求高,电路相对复杂。

综合考虑,最终选用方案2,通过实验,满足系统设计要求。

(4)A/D、D/A选择论证与选择

方案1:使用12位外部A/D、D/A器件。

优点:参考源可精确设定,转换精度高;

缺点:成本高,外加了电路模块。

方案2:使用单片机内部的A/D、D/A。

优点:不需要外加设备,控制精度较高;

缺点:无法设定精准的基准源。

综合考虑,最终选用方案2,STM32F103自带12位A/D转换器,D/A采用MP4725轨至轨D/A转换器,通过实验,满足系统设计要求。

二、核心部件电路设计

1、关键器件性能分析

(1)主控制器:采用STM32F103C8T6作为主控芯片,STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器,程序存储器容量是64KB,需要电压2V~3.6V,工作温度为-40°C ~ 85°C。

(2)整流器:主电源其最大工作电流为2A,若采用普通整流桥,损耗较大,发热也大,所以主电源采用肖特基二极管构成整流桥;辅助电源工作电流较小,采用普通整流桥即可。

(3)三极管:三极管采用D882与D1047构成达林顿管,D1047功率可达100W。

(4)D/A转换器:D/A转换器在本系统当中非常重要,决定了系统的控制精度,根据系统要求,需要选用12位的D/A转换器,系统所采用的D/A转换器为轨至轨输出的MP4725。

2、电路结构与工作原理

(1)电源输入滤波电路

CA1、L1、CA2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制,防止对电源干扰,同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间,要对后级滤波电容充电,由于瞬间电流大,加RT1(热敏电阻)就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上,一定时间后温度升高后RT1阻值减小(RT1是负温系数元件),这时它消耗的能量非常小,后级电路可正常工作。

图(2)电源输入滤波电路

(2)电流源电路

电流源电路由变压器、整流模块、滤波模块、电源变换模块构成。变压器使用环形变压器,其漏磁少,磁路闭合好;整流模块采用肖特基二极管构成,以降低电路损耗;滤波器采用4个3300μF的电容构成低频滤波,同时降低了ESR值,采用一个100pF的电容做高频滤波;电源变换模块由D882与D1047构成达林顿做调整管,TL082构成硬件反馈回路,实现硬件稳压,如图(3)、图(4)所示。

图(3)主电源整流电路

图(4)线性电源变换电路

(3)辅助电源电路

辅助电源由变压器、整流桥、滤波器、三端稳压器构成。本系统主要使用+5V、+15V、-15V,所以采用7805、7815、7915既可以实现,而且线性电源本身纹波及噪声较小,能够保证质量较好的电能提供,如图(5)、图(6)所示。

图(5)辅助电源整流电路

图(6)辅助电源稳压电路

(4)信号调理电路

信号调理电路如图(7)所示,由TL082构成跟随器,然后送入同相比例放大器进行放大,然后再控制调整管。我们所使用的D/A转换器输出范围为0V-3.3V,这个信号不足以完全控制调整管,将信号进行2倍放大即可。

图(7)信号调理电路

(5)数字控制电路

数字控制电路由显示模块、D/A模块、主控芯片、按键电路组成,如图(8)所示。

图(8)数字控制电路

三、系统软件设计

1、程序功能描述

本系统使用STM32F103C8T6作为主控芯片,对硬件电路的相关参数进行测量,接收A/D送入的信号并进行处理,实现电流、电压的检测,通过TFT液晶显示器显示电流、电压及相关参数的显示;通过D/A控制电流源的电流大小。

2、程序流程图

如图(9)所示为程序流程图。

图(9)程序流程图

、实物展示

    1、环形变压器

    1、输入滤波

3、显示及其主控

4、恒流电路

5、肖特基整流桥电路

6、辅助电源

7、整体实物图

标签 经历分享
2019/10/12 13:27:02
2
电源网-璐璐
电源币:1092 | 积分:82 主题帖:284 | 回复帖:1517
LV10
司令
还有吗 更新啊 还想学习学习呢
2019/10/13 08:50:44
3
翼飞DIY
电源币:4 | 积分:1 主题帖:2 | 回复帖:0
LV1
士兵
测试视频链接:http://www.bilibili.com/video/av70883941?share_medium=android&share_source=qq&bbid=XYBF61EBF666A0F3EF164260CAE6C22004086&ts=1570927815960
2019/10/13 08:53:54
4
翼飞DIY
电源币:4 | 积分:1 主题帖:2 | 回复帖:0
LV1
士兵

PID参数没调合适,后续再调。

2019/10/21 20:02:58
5
其乐518
电源币:707 | 积分:7 主题帖:3 | 回复帖:219
LV5
营长
你太厉害了,为你点赞
2019/10/22 18:01:51
6
wxgsnake
电源币:771 | 积分:20 主题帖:3 | 回复帖:60
LV4
连长
楼主用心了 有原理有实物 有点有面
2019/10/24 23:51:31
7
seanzhong
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
现在PCB打板很便宜了,还用洞洞板做。
2019/10/26 08:26:00
8
15062524331
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
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