首頁(yè)

資訊中心

企業(yè)動(dòng)態(tài)

行業(yè)動(dòng)態(tài)

安全動(dòng)態(tài)

行業(yè)資訊

設(shè)備資訊

工具資訊

材料資訊

招商代理

您當(dāng)前位置:首頁(yè) > 新聞?lì)l道 > 技術(shù)動(dòng)態(tài) > 正文

高精度可調(diào)直流恒流源設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2016-05-30 10:54:38 安裝信息網(wǎng)

魏杰

（中航工業(yè)北京青云航空儀表有限公司，北京100086）

摘要：該系統(tǒng)使用處理芯片TMS320F28XX為控制器，完成對(duì)電流控制值、反饋采樣值的D/A、A/D轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電流數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)借助DC/DC恒流、恒壓調(diào)整器LT3596完成功率驅(qū)動(dòng)�？蓪�(shí)現(xiàn)0~240 mA范圍內(nèi)電流的高精度控制，適用于受環(huán)境溫度變化范圍較大的恒流控制電路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；恒流源；D/A轉(zhuǎn)換；反饋

中圖分類號(hào)：TN86文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 05 - 0044 – 03

0引言

帶自反饋電路的閉環(huán)控制恒流源，可應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)、航空航天及測(cè)量等領(lǐng)域，可提升整體控制系統(tǒng)控制精度，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。以往由分離器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的恒流電源，多采用MOS管、電壓調(diào)整器等，在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，通常無(wú)法保證輸出電流的穩(wěn)定性，同時(shí)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，占用空間較大，不利于電路的小型化、集成化。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的硬件資源為控制器TMS320F28XX及其控制器自帶的外設(shè)功能接口A/D采集模塊、SPI接口模塊；控制算法占用內(nèi)存空間小，也可由中斷子程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，選用的串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件AD7249、穩(wěn)流功率器件LT3956也具有體積小、精度高等特點(diǎn)，整體設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于較大系統(tǒng)的穩(wěn)流模塊。

1恒流控制系統(tǒng)的控制原理

該恒流源設(shè)計(jì)的工作原理如圖1所示，分為處理器控制模塊、模擬量輸出模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊以及電流反饋采集模塊等。

處理器由外圍接口接收預(yù)定電流值，通過(guò)內(nèi)部控制解析發(fā)送相應(yīng)的串行通信數(shù)據(jù)到D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出模擬量控制調(diào)節(jié)穩(wěn)流功率電路，穩(wěn)流功率電路的控制端口與輸出的電流存在正比關(guān)系，從而控制負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載或外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，穩(wěn)流功率模塊自身可以形成閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是否符合精度要求以及是否仍可滿足預(yù)定電流值可以由電流反饋電路進(jìn)行監(jiān)控，由處理器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。對(duì)負(fù)載進(jìn)行電流采樣，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)理，輸入處理器A/D采集接口，從而可以監(jiān)控負(fù)載電流。

在控制運(yùn)算中進(jìn)行濾波，比較反饋值與預(yù)定電流值，根據(jù)差值進(jìn)行控制運(yùn)算，在預(yù)定周期內(nèi)輸出D/A量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而形成閉環(huán)控制。2硬件設(shè)計(jì)原理

2.1控制模塊設(shè)計(jì)

DSP芯片TMS320X281x對(duì)于D/A芯片的控制采用自帶的SPI外設(shè)接口，它按主從方式進(jìn)行工作，以處理器為主機(jī)，D/A芯片為從機(jī)。其中，CS信號(hào)控制從機(jī)芯片是否被選中，當(dāng)D/A芯片接收到CS信號(hào)為低電平芯片時(shí)即為選中狀態(tài)，與主機(jī)建立連接之后，處理器通過(guò)負(fù)責(zé)通信的三路信號(hào)完成通信，即由SCK提供時(shí)鐘脈沖，MOSI和MISO基于此脈沖完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，在與D/A芯片交聯(lián)中只需使用SPI的串行發(fā)送功能。

2.2 D/A電路設(shè)計(jì)

處理器對(duì)功率驅(qū)動(dòng)模塊的速度控制信號(hào)約為0～2V的模擬信號(hào)，在電路中采用AD7249芯片，更新速率為125 kHz。

該芯片與處理器的SPI部分接口，將12位CMOS數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，處理器的發(fā)送時(shí)鐘SCLK、輸出時(shí)鐘信號(hào)連接AD7249的時(shí)鐘信號(hào)SCLK，數(shù)據(jù)輸出口MOSI連接AD7249數(shù)據(jù)輸入端口SDIN，幀同步信號(hào)SPISTEA連接D/A同步信號(hào)SYNC，通用數(shù)據(jù)接口GPIO連接數(shù)據(jù)載人信號(hào)LDAC、清零信號(hào)CLR以及芯片的數(shù)據(jù)格式選擇信號(hào)B/C。

2.3穩(wěn)流功率模塊設(shè)計(jì)

依照原理電路圖2所示，輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波電容C1給芯片供電，LT3956啟動(dòng)工作，內(nèi)部開(kāi)關(guān)MOS管供電電源開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)電感L1、C5將高頻脈沖電壓傳輸?shù)絃2輸出端，在L2輸出端外接有整流二極管D3和濾波電容C6，高頻脈沖電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓，經(jīng)電流檢測(cè)電阻R8進(jìn)行功率輸出。

其中，電阻R9、R10連接芯片的電壓閉環(huán)反饋引腳FB，芯片內(nèi)部的運(yùn)放用于檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值時(shí)，芯片內(nèi)部改變MOS管的開(kāi)關(guān)占空比，使輸出電壓降低；電流檢測(cè)電阻R8連接芯片ISP引腳和ISN引腳，用于檢測(cè)負(fù)載電流，當(dāng)負(fù)載電流大于或小于設(shè)置電流時(shí)，R8兩端電壓經(jīng)芯片內(nèi)部誤差放大器比較處理后改變MOS管的開(kāi)關(guān)占空比，從而保證輸出電流的恒定。

模塊內(nèi)部芯片2.0 V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)電阻R3、R4、R5分壓為芯片CTRL引腳設(shè)置一個(gè)穩(wěn)定的電壓VCTRL，從而決定芯片ISP引腳和ISN引腳間檢測(cè)電壓的比較

電阻，二極管D2用于溫度補(bǔ)償。根據(jù)二極管的溫度特性，D2結(jié)壓降隨溫度不同而發(fā)生變化，使芯片CTRL引腳電壓也可根據(jù)不同溫度產(chǎn)生跟隨，該設(shè)計(jì)可以補(bǔ)償負(fù)載在不同溫度下阻抗產(chǎn)生的變化，從而保證了輸出電流I0在溫度變化時(shí)基本保持不變。

2.4反饋電路設(shè)計(jì)

電流采集電路將采樣電阻的電壓經(jīng)多級(jí)調(diào)理放大，使其有效值在0～3V之間，即可實(shí)現(xiàn)處理器A/D模擬量信號(hào)的采集，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載實(shí)際電流變化。

3軟件程序設(shè)計(jì)

3.1外部接口控制寄存器配置

依據(jù)DSP使用手冊(cè)配置適用于本系統(tǒng)的SPI接口特性：

1)設(shè)置SPI為主機(jī)模式，將控制寄存器SPICTL的MASTER/SLAVE位置為1；

2)配置SPI波特率，通過(guò)對(duì)SPIBRR的配置，LSPCLK為DSP的低速外設(shè)時(shí)鐘頻率，可設(shè)置波特率為1 MHz；

3)配置SPI時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)SPICCR寄存器的CLOCK POLARITY位和CLOCK PHASE位確定SPI的時(shí)鐘特性，配置SPICLK沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，SPICLK處于高電平，SPI在SPICLK信號(hào)下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在SPICLK信號(hào)上升沿接收數(shù)據(jù)；

4)配置SPI接口的發(fā)送和接收FIFO，將SPIFFTX寄存器的SPIFFEN位配置啟動(dòng)SPI的FIFO功能。

依據(jù)DSP使用手冊(cè)配置適用于本系統(tǒng)的ADC接口特性：

1)配置ADC接口的時(shí)鐘頻率和采樣頻率，通過(guò)ADC寄存器ADCTRL3的第0~3位配置分頻，寄存器ADCTRL1的ACQ_PS位和ADCCLK位設(shè)置分頻數(shù)，不對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行2分頻；

2)配置ADC模塊的工作方式，本系統(tǒng)選擇ADC工作于雙序列發(fā)生器模式下的順序采樣，此時(shí)，序列發(fā)生器SEQ1的優(yōu)先級(jí)高于SEQ2，配置轉(zhuǎn)換的通道數(shù)量為16個(gè)通道；

3)選擇啟動(dòng)／停止模式，當(dāng)序列發(fā)生器完成一個(gè)序列的轉(zhuǎn)換時(shí)，序列發(fā)生器的狀態(tài)指針就停在當(dāng)前轉(zhuǎn)換狀態(tài)，需手動(dòng)復(fù)位序列發(fā)生器，等待下一次轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)。

3.2控制程序設(shè)計(jì)

程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先對(duì)系統(tǒng)的變量、中斷及外設(shè)模塊等進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入一個(gè)主循環(huán)，在循環(huán)內(nèi)執(zhí)行輸入解析、通信處理及故障處理。其中，輸入解析的任務(wù)是將接收到的電流控制指令解析為模擬量數(shù)據(jù)控制D/A轉(zhuǎn)換芯片；故障處理是根據(jù)輸入量及系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行故障判斷，并輸出故障狀態(tài)信息；通信處理的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，互相交換數(shù)據(jù)信息、實(shí)時(shí)電流信息以及系統(tǒng)狀態(tài)信息。主程序流程圖見(jiàn)圖3。

主程序執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)則會(huì)自動(dòng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序，中斷結(jié)束后返回主程序。設(shè)置定時(shí)中斷，中斷時(shí)長(zhǎng)為50μs，進(jìn)入中斷首先調(diào)用A/D采樣程序，采樣后需進(jìn)行數(shù)字濾波以防止干擾；接下來(lái)檢查采樣完成標(biāo)志是否有效，如果無(wú)效則設(shè)置故障標(biāo)志，退出中斷；如果有效則讀入采樣，根據(jù)采樣值對(duì)系統(tǒng)工作的溫度環(huán)境進(jìn)行綜合判斷，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)程序?qū)o定值和電流采樣值進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作相應(yīng)處理后送人SPI模塊，從而產(chǎn)生模擬量變化值并退出中斷。

4測(cè)試結(jié)果分析

在室溫條件(25℃)下，負(fù)載阻值為106 Ω，設(shè)定電流為90 m A。隨著環(huán)境溫度在0~80℃范圍內(nèi)進(jìn)行變化，觀測(cè)負(fù)載阻值成負(fù)線性變化，負(fù)載阻值變化區(qū)間為(109~ 89)Ω，實(shí)際測(cè)量電流如表1所示。