基于ATMEGA16单片机闭环控制的数控电流源设计

应用技术研究作者简介：林毓梁男电气工程系副主任讲师翟庆一男电气工程系讲师1基于ATMEGA16单片机闭环控制的数控电流源设计林毓梁翟庆一陈明坤段海仑白光远[文章摘要]本设计采用高性能单片机ATMEGA16控制V/I转换电路实现了一种数字可控直流电流源。主要由控制电路、显示电路、D/A转换、V/I转换电路、电流采集电路和通讯电路等部分组成。该电流源电路利用集成运放工作在深度负反馈状态实现压控电流源，并通过单片机控制高精度D/A转换控制电压输出来实现电流数字控制。结合电流检测构成负反馈，通过闭环控制、PID调节来实现对输出电流的精确控制。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强，可以通过键盘来实现对输出电流的高精度调节。[关键字]：电流源单片机ATMEGA16反馈PID控制1、引言直流数字式电流源因能够为电路提供稳定的电流而广泛的应用在电子测量，仪器仪表、教学实验中，另外，由于电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特点，因此在模拟集成电路中，常把它作为各放大级的有源负载，提高电压增益，同时为集成运放各级提供稳定的偏置电流。2、设计要求为满足实际需要本设计要求数控电流源具备以下性能：（1）输出电流范围：200mA～2000mA；（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA；（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1%+10mA；（5）纹波电流≤2mA；3、数控电流源工作原理根据基本的电路理论，当集成运放工作在深度负反馈情况下，可以实现电流电压转换，从而实现压控电流源，其原理图如图1所示：通过理论分析我们可以得到uf≈i0Rfi0＝uf/Rf又因集成电路工作在深度负反馈情况下，故有uf≈uii0＝ui/Rf图1压控恒流源工作原理由以上推论,可得出输出电流不受负载电阻RL控制而只受给定电压Ui影响，即为压控电流源，也就是说实现了电压到电流的转换。因此，我们可以利用单片机通过A/D转换来控制控制电压就可以控制输出电流大小，为了使输出电流更加稳定，我们在电路中引用了多级负反馈,使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。此外，为获得更好的电流稳定性，我们还可以通过检测输出电流，引入电流负反馈，形成电流闭环控制系统，结合PID算法实现对输出电流的精确控制。4、系统设计方案4.1硬件设计根据上述的设计思想，最终形成的系统硬件框图如图2所示。本系统有六大模块组成分别是：io+Uf-+U0-++-RlRf+Ui-应用技术研究2（1）控制模块：采用MEGA16作为本系统的控制中心，采用高精度A/D转换器实现电流检测，可以构成电流负反馈，并通过优秀的算法实现电流闭环控制，通过外加12位TLCD/A转换器来输出电压控制参数控制压控电流源。图2系统硬件框图（2）电流源模块：采用精密集成运放工作在深度负反馈状态实现恒流源，通过功率放大电路实现大电流驱动要求。（3）开关电源模块：V/I转换中的功率放大部分需要一开关电源，利用LM2576-ADJ自制15V稳压电源，能够提供3A电流。（4）显示模块：由于液晶（LCD）显示具有功耗低，显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富的特点。本设计采用CF128*64－3液晶显示器作为显示输出。（5）键盘模块：系统设计4个独立式按键，分别是：分别是步进调整键2个（加键与减键）和模式键、步幅调整键。步进调整键用来调整输出电流大小，模式键用来控制系统是工作在本地模式还是上位机远程控制模式，步幅调整键用来改变步进调整时的每步大小。（6）系统稳压电源，采用线性集成稳压器制做系统所需的稳压电源＋5V、＋12V、－12V。4.2系统软件设计根据上述思想设计的系统主程序流程图3所示。系统上电初始化后根据模式控制字Mode的值选择系统是工作在本地模式还是远程控制模式。3系统软件总流程图进入本地模式后首先进行LCD的显示初始图化，然后进行按键扫描，根据按键的信息增加设定值或者减少设定值，如果是方式键，则改变Mode的之后退出。改变设定值后，调用PID算法程序，产生对应控制电压Ui的数字量并输出，通过调用显示子程序，可以在LCD上显示设定值和实际测量值的大小，本地控制模式电流输出控制程序流程图4所示。系统电源ATMEGA16SN75176485/232转换器PC机LCD显示ADS774信号处理信号输出TLC5618V/I转换键盘开关电源NY开始初始化自动校准进入本地模式Mode=0?进入远程控制模式电流检测和数字滤波显示测量值和设定值YYNN开始显示初始化加减键？设定值修改加PID控制改变mode值返回方式键？应用技术研究3图4本地模式流程图5、控制算法和控制目标的产生为实现精确的电流控制，本系统引入了电流负反馈，构成电流闭环控制系统，单片机通过ADS774采样电流大小，经过比例微分积分环节后，产生用于控制电流大小的电压值。控制系统框图如图5所示。图5电流闭环控制系统框图PID调节中的积分运算，在模拟电路中可以采用积分电路来实现，在利用单片机实现PID时，可以采用离散增量PID算法，具体控制过程为:单片机经A/D芯片读出实际输出电流IK，然后和设定电流IS相比较，得出差值EK=IS－IK,单片机根据EK的正负大小，调用PID公式，计算出本次电流调节的增量△IK，然后根据前一次D/A芯片输出电流Iq-1，计算出本次电流输出Iq离散增量PID的计算公式为：△IK＝KP［（EK－EK-1）＋KIEK＋KD（EK－2EK-1＋EK-2）］＝KP(EK－EK-1)+K’IEK+K’D(EK－2EK-1+EK-2)式中：K’I=KP＊KI，K’D=KP＊KD，EK为本次采样时刻的电流误差，EK-1为上次采样电流误差，EK-2为再上次采样电流误差值。使用PID算法能否达到设计的调节品质，在于调整好三个关键参数：KP比例系数、积分系数KI，和微分系数KD根据系统闭环稳定性分析，并结合MATLAB仿真实验结果，确定KP＝0.175，KI=0.146，KD＝0.932。6、性能分析与测试压控电流源电路通过仿真软件进行仿真，得到了良好的输出电流波形，如图6所示。图6恒流源电路仿真结果从图上看在输入电压为0到+5V变化时,最终在输出电阻上得到的输出电流能良好的复现Ui的变化,说明输出电流能良好的受给定电压Ui控制，实现了原来压控电流源的设想。经过对制作出的样机进行实际的测试，当给定某一设定的电流值时，输出电流稳定且误差控制在1%以内。测试结果见表1。表1电流源的测试结果设定值mA毫安表读数mA误差％6005950.8％10009930.7％140013910.6％160015880.75％200019850.75％结论：本设计利用集成运放工作在深度负反馈状态实现了一种压控电流源，并通过单片机控制高精度D/A转换控制电压输出来实现电流数字控制。结合电流检测构成负反馈，通过闭环控制、PID调节来实现对输出电流的精确控制。这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。参考文献[1]刘国荣计算机控制技术与应用。机械工业出版社[2]马潮Atmega8原理应用手册清华大学出版社[3]Atmega16中文手册双龙公司资料[4]罗小巧等高精度宽量程智能电流源的设计电气电子教学学报第26卷第6期[5]马云峰单片机控制的直流电流源设计潍坊高等专科学校学报1999年第3期＋－PIDK电流给定值A电流输出值