基于混合最優算法的高精度數控直流電源設計

　　1 設計任務

　　設計并制作數控直流電流源。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；具有步進調整功能，步進≤10mA；紋波電流≤2mA；改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10mA。

　　2 系統設計方案

　　鑒于目前數控直流源一般采取運放構成的電流-電壓轉換電路與單片機結合，設計方案大多為開環系統，主控制器僅用于數字給定及顯示，沒有對輸出電流進行檢測和控制。本文在傳統電路設計的基礎上，利用控制系統中反饋與控制原理，引入電流負反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運算放大器的反向輸入端，實現負反饋，形成恒流輸出的閉環控制系統；軟件方面，將具有全局尋優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能力強的直接搜索法結合在一起，設計基于遺傳算法和直接搜索策略的混合優化算法，充分利用了遺傳算法的全局搜索能力并以此作為優化過程的“粗調”，同時利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優化過程的“微調”，集中了兩者的優點，而克服了兩者的弱點，得到的目標函數值較遺傳退火策略更優，而且一致性更好，用于PID參數整定是具有整定速度快，調節時間短，穩態誤差小等優點。同時結合PID算法，形成軟件閉環，實現對輸出電流的精確控制。

　　系統工作原理如下：由鍵盤預置電流值，輸入到單片機；采樣電阻采集的電流信號經A／D轉換器送入單片機，當兩值之差絕對值為零或不大于設定值時，不作任何調整；當兩值之差大于設定值時，運用PID算法進行調整，送人D／A轉換，調整輸出電流，直到差值在允許的范圍內。單片機控制液晶顯示電流的設定值、實際輸出值和電流步進值。其原理示意圖如2所示。

　　3 硬件電路設計

　　數控直流電流源由自制電源電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、單片機最小系統、D／A轉換電路、恒定電流源電路、A／D轉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

　　目前大多數控恒流源設計方案是以51系列單片機作為電流源控制器，該系列單片機性價比高，接口電路開發成熟，應用廣泛。但其執行速度慢，集成的電路穩定性差，且容易受干擾，內部沒有看門狗電路，容易死機，沒有集成A／D、D／A轉換芯片。與51系列單片機相比，ATmega128具有高速運行處理能力，電路穩定性好，內部有可編程帶內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轉換芯片。本系統選用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，實現高精度的PID算法。

　　控制器主要實現以下功能：(1)控制鍵盤輸入電流設定值；(2)控制A／D轉換電路把實測電流值轉換成數字量；(3)比較電流設定值與實測值的大小，根據比較結果，用PID算法進行調整；(4)控制D／A轉換電路把調整好的數字電流量轉換為模擬電壓量；(5)顯示設定電流值、實測電流值和步進電流值；(6)記錄故障持續時間。

　　3.2 恒定電流源設計

　　本設計采用集成有運放的線性恒流源。電路由兩個低漂移運放LM358、晶體管TIP41C、負載電阻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放的輸入端，構成電流并聯負反饋電路，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定性。TIP41C是大功率晶體管，工作在線性放大區時，最大集電極電流為4 A，放大倍數為20～70倍。

　　負載電流僅由輸入電壓決定，而與負載R的大小無關。由于運放電源的限制，負載只能在一定范圍內變化。當輸入電壓不變時，負載電阻在一定范圍內變化，輸出電流將保持不變，構成恒流源電路。

　　本方案的另外一個特色是，采用康銅絲組成采樣電阻，康銅絲的溫度系數為5ppm／℃，通過電流時引導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，同時采用反向對稱繞法把其繞制成空心繞線電阻，以減少繞制電阻時產生附加的電感，達到減少紋波電流的目的。為保證足夠的V-I轉換精度，電路中各電阻應選用精密電阻。

　　3.3 A／D轉換器設計

　　本系統的電流測量部分由12位A／D芯片TLC2543構成，該芯片是一種12位開關電容逐次逼近A／D轉換器，芯片共有11個模擬輸入通道。芯片的串行三態輸出數據端、輸人數據端、輸入／輸出時鐘3個控制端能形成與微處理器之間數據傳輸較快和較為有效的串行外設接口。12位A／D可以達到該系統的1％+1mA的精度要求。

　　3.4 聲光報警電路

　　數控直流電流源有過流保護功能，即當實際電流輸出超4000mA，可實現報警，并使輸出電流降為0mA。

　　3.5 自制電源模塊設計

　　本設計需要12V及5V直流電壓。整個系統的電壓外接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，再經過電橋整流得到直流電壓，15 V直流電壓經過電容的濾波，然后再通過三端穩壓塊7805轉換得到5 V電壓，通過三端穩壓塊7812得到12 V電壓。

　　3.6 人機交互界面

　　與數碼管相比，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，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點。本設計采用LCD1602顯示0～2300mA電流，發光二極管LED1、LED2指示電流測量方式和電流設定方式，當二者交替點亮表示當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口較少的優勢，本設計采用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，當按鍵按下時，鍵盤通過優先編碼器進行編碼，編碼器同時向單片機發出中斷信號，單片機讀取鍵號，調用按鍵子程序進行相應處理。

　　3.7 D／A轉換器設計

　　為實現輸出電流范圍10mA～4000mA、步進1mA的要求，應選用分辨率高的DAC，本設計采用MAX538為D／A轉換電路的核心器件。

　　MAX538是12位串行數模轉換器，具有轉換速度快、精度高、功耗低等特點。本芯片為8腳串口數據輸入D／A轉換芯片，占用單片機引腳資源少，程序編輯方便,外圍電路擴展簡單。由于MAX538具有內部基準電壓為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生1(mA)電流(即步進1mA)，試驗顯示能達到指標。

　　3.8 系統的組成

　　(1)控制器件：ATmega128單片機；

　　(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：發光二極管和蜂鳴器；

　　(6)記錄故障時間：ATmega128單片機內置的定時器／計數器；

　　(7)A／D轉換器：TLC2543；

　　(8)D／A轉換器：MAX538；

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