麥 冬 王建華 謝 飛 周 鵬

電能變換技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件,綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電能變換技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、微機(jī)原理、單片機(jī)、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。當(dāng)前,電能變換技術(shù)正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。隨著各行各業(yè)的迅猛發(fā)展,對(duì)電能變化提出了更高的要求。而本設(shè)計(jì)利用功能較強(qiáng)、兼容性好、性價(jià)比高 SPCE061A單片機(jī)為核心控制器,設(shè)計(jì)出具有精度高、性能好、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好、智能化程度高的數(shù)控直流恒流源,所以新型、自動(dòng)化程度高的電源成為近年來(lái)科技領(lǐng)域中相當(dāng)受重視的領(lǐng)域。

1 主電路的設(shè)計(jì)

凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)功能較強(qiáng)、兼容性好、性價(jià)比高,具有體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗小以及具有較高的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,系統(tǒng)最高時(shí)鐘頻率可達(dá) 49MHz,運(yùn)行速度快,而且由于凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部集成了 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器,不需外加 A/D、D/A器件[1]。通過(guò)采樣取樣,結(jié)合內(nèi)部 A/D、D/A,構(gòu)成閉環(huán)反饋調(diào)整控制,此種方案既能實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn),簡(jiǎn)化硬件電路,提高測(cè)量精度,同時(shí)也能利用軟件對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這給調(diào)試、維護(hù)和功能的擴(kuò)展、性能的提高,帶來(lái)了極大的方便。采用 SPCE061A實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖,如圖 1所示:

圖1 SPCE061A實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖

2 軟件硬件電路設(shè)計(jì)

SPCE061A系統(tǒng)工作原理為:當(dāng)有鍵盤按鍵對(duì)電流值進(jìn)行預(yù)置時(shí),SPCE061A單片機(jī)把所預(yù)置的數(shù)值送到液晶顯示器顯示,同時(shí)作為電流源的給定值,并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換,使數(shù)字信號(hào)變成模擬電流信號(hào),此電流信號(hào)經(jīng) I/V模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào),此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)壓控恒流元件場(chǎng)效應(yīng)管 IRF640來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的電流值,場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流即為恒流源的實(shí)際輸出電流[2]。場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流近似于源極電流,源極電流經(jīng)過(guò)采樣電阻后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)采集此信號(hào),作出相應(yīng)的調(diào)整處理后輸出顯示,作為電流源的自測(cè)表的輸出值[3]。系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路主要包括凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤與顯示電路、I-V模塊、壓控恒流源電路、電源電路等。下面分別說(shuō)明各個(gè)電路模塊。

2.1.1 數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算,D/A最少必須達(dá)到 11位,凌陽(yáng)單片機(jī) SPCE061A內(nèi)部集成有兩個(gè) 10位 D/A和七路 10位 A/D可供使用。10位 D/A的精度是1/1 024,而題目要求輸出電流 2A的時(shí)候步進(jìn)值為1mA,即精度至少為 1/2 000。考慮到 SPCE061A有兩個(gè)內(nèi)部集成的 10位電流型輸出 D/A,若把兩個(gè)10位 D/A并聯(lián)使用,步進(jìn)時(shí)交替加 1或減 1,則精度可達(dá)到 1/2 048,即相當(dāng)于一個(gè) 11位 D/A的精度,完全滿足要求,又節(jié)約了外部硬件資源,可大大提高整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比。

2.1.2 壓控恒流源電路設(shè)計(jì)

壓控恒流源是系統(tǒng)的重要組成部分,它的功能是用電壓來(lái)控制電流的變化,由于系統(tǒng)對(duì)輸出電流大小和精度的要求比較高,所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。電路原理圖如圖 3所示,該恒流源電路由運(yùn)算放大器、大功率場(chǎng)效應(yīng)管 Q1、采樣電阻 R2、負(fù)載電阻 RL等組成[4]。

圖3 壓控恒流源原理圖

電路中調(diào)整管采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管 IRF640,采用場(chǎng)效應(yīng)管,更易于實(shí)現(xiàn)電壓線性控制電流,既能滿足輸出電流最大達(dá)到2A的要求,也能較好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。因?yàn)楫?dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作于飽和區(qū)時(shí),漏電流 Id近似為電壓 Ugs控制的電流,即當(dāng) Ud為常數(shù)時(shí),滿足:Id=f(Ugs),只要 Ugs不變,Id就不變。在此電路中,R2為取樣電阻,采用康銅絲繞制(阻值隨溫度的變化較小),阻值為 0.35歐。運(yùn)放采用 OP-07作為電壓跟隨器,UI=Up=Un,場(chǎng)效應(yīng)管 Id=Is(柵極電流相對(duì)很小,可忽略不計(jì))所以I0=Is=Un/R2=UI/R2。正因?yàn)?I0=UI/R2,電路輸入電壓 UI控制電流 I0,即 I0不隨 RL的變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。

2.1.3 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)

鍵盤采用普通的 4×4矩陣式鍵盤,共有 16個(gè)按鍵,選取凌陽(yáng) 128×64點(diǎn)陣式 SPLC501液晶顯示模塊[5]。這種顯示方式非常直觀,用戶可以從顯示器上看到很友好的界面,而且點(diǎn)陣式 LCD的顯示內(nèi)容非常靈活,用戶可以同時(shí)從顯示器上看到漢字提示和兩個(gè)電流值:其一為預(yù)先設(shè)定的電流值,即期望值;其二為輸出電流的實(shí)測(cè)值,正常工作時(shí)兩者相差很小。一旦出現(xiàn)偏差較大的狀況,在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整,使誤差滿足精度要求。

2.1.4 電源電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電源時(shí)既要保證電源的高穩(wěn)定度,也要保證電源能輸出大于 2A的電流,故本系統(tǒng)采用三級(jí)管擴(kuò)流,而且在使用電源時(shí)必須充分考慮電源的效率。電源電路采用 LM317和 LM337,其輸出電壓是連續(xù)可調(diào)的,輸出電壓調(diào)到為 +15V和 -15V來(lái)供給硬件電路使用,其中 -15V的電源是供運(yùn)放使用,不需要擴(kuò)流;而 +15V的電源的負(fù)載電流要求不低于2A,所以采用三級(jí)管擴(kuò)流,另外用 LM7805產(chǎn)生 +5V的電壓供凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)使用[6]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

首先初始化系統(tǒng),即凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)系統(tǒng)的初始化,液晶顯示器顯示歡迎界面“數(shù)控恒流源HuaQiao University”,D/A、A/D模塊的初始化;系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定值為 1 000 mA;然后凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)便不停地進(jìn)行鍵盤掃描,根據(jù)掃描得到的鍵值進(jìn)行相應(yīng)地操作[7],見圖 4主程序流程圖。

圖4 主程序流程圖

3 系統(tǒng)的測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

測(cè)試儀器主要采用臺(tái)灣固偉電子負(fù)載和 4位半數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試,是將各個(gè)模塊連接,然后進(jìn)行預(yù)設(shè)電流值和實(shí)際輸出電流值對(duì)比測(cè)試,記錄兩者之間的偏差,并進(jìn)行軟件修正。

3.2 誤差測(cè)量

3.2.1 負(fù)載為 1歐姆測(cè)量數(shù)據(jù)如表 1:

表1 負(fù)載為 1歐姆其測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2.2 負(fù)載為 5歐姆測(cè)量數(shù)據(jù)如表 2:

表2 負(fù)載為 5歐姆其測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2.3 負(fù)載為 10歐姆測(cè)量數(shù)據(jù)如表 3:測(cè)試記錄中的 I和 U分別為流過(guò)負(fù)載電阻 RL的實(shí)測(cè)電流值和 RL兩端電壓值。測(cè)試電路如圖 5所示:

表3 負(fù)載為 10歐姆其測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5 壓控恒流源測(cè)試

經(jīng)測(cè)試:在負(fù)載一定下,預(yù)設(shè)電流值與實(shí)際輸出的電流值相對(duì)誤差保持在 0.74%,相對(duì)誤差很小,精度很高。隨著負(fù)載的變化,預(yù)設(shè)電流值與實(shí)際輸出的電流值幾乎不會(huì)產(chǎn)生很大的影響,有很強(qiáng)的穩(wěn)定性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代直流電源正朝著高精度、高功率因數(shù)、模塊化、全數(shù)字化的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)高精度的有效途徑是采用軟開關(guān)技術(shù)數(shù)字信息處理的任務(wù)在很大程度上需要由單片機(jī)來(lái)完成,隨著單片機(jī)的開發(fā)與費(fèi)用的下降,單片機(jī)技術(shù)已成為人們?nèi)找骊P(guān)注并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。本文基于單片機(jī)控制技術(shù),設(shè)計(jì)出高精度、高性價(jià)比、高智能化、好性能、好穩(wěn)定性的開關(guān)電源,并就其研發(fā)過(guò)程中涉及的硬件電路設(shè)計(jì)、SPCE061A技術(shù)等方面進(jìn)行了探討。本文所設(shè)計(jì)的直流電源是切實(shí)可行的,可以作為精度要求較高的一類負(fù)載的電源等,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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