基于混合最优算法的高精度数控直流电源设计

1 设计任务

设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。原理框图如1所示。

要求：输出电流范围：200mA～2000mA；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；具有步进调整功能，步进≤10mA；纹波电流≤2mA；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。

2 系统设计方案

鉴于目前数控直流源一般采取运放构成的电流-电压转换电路与单片机结合，设计方案大多为开环系统，主控制器仅用于数字给定及显示，没有对输出电流进行检测和控制。本文在传统电路设计的基础上，利用控制系统中反馈与控制原理，引入电流负反馈，在采样电阻上获取和电流成正比的采样电压，并接人运算放大器的反向输入端，实现负反馈，形成恒流输出的闭环控制系统；软件方面，将具有全局寻优能力但收敛速度慢的遗传算法和具有收敛速度快且局部寻优能力强的直接搜索法结合在一起，设计基于遗传算法和直接搜索策略的混合优化算法，充分利用了遗传算法的全局搜索能力并以此作为优化过程的“粗调”，同时利用直接搜索法良好的局部搜索能力作为优化过程的“微调”，集中了两者的优点，而克服了两者的弱点，得到的目标函数值较遗传退火策略更优，而且一致性更好，用于PID参数整定是具有整定速度快，调节时间短，稳态误差小等优点。同时结合PID算法，形成软件闭环，实现对输出电流的精确控制。
 

系统工作原理如下：由键盘预置电流值，输入到单片机；采样电阻采集的电流信号经A／D转换器送入单片机，当两值之差绝对值为零或不大于设定值时，不作任何调整；当两值之差大于设定值时，运用PID算法进行调整，送人D／A转换，调整输出电流，直到差值在允许的范围内。单片机控制液晶显示电流的设定值、实际输出值和电流步进值。其原理示意图如2所示。
 

3 硬件电路设计

数控直流电流源由自制电源电路、键盘输入电路、显示电路、单片机最小系统、D／A转换电路、恒定电流源电路、A／D转换电路和输出电流采集等模块电路组成。

3.1 采用比较适合的新型的Atmega128单片机

目前大多数控恒流源设计方案是以51系列单片机作为电流源控制器，该系列单片机性价比高，接口电路开发成熟，应用广泛。但执行速度慢，集成的电路稳定性差，且容易受干扰，内部没有看门狗电路，容易死机，没有集成A／D、D／A转换芯片。与51系列单片机相比，ATmega128具有高速运行处理能力，电路稳定性好，内部有可编程带内部振荡器的看门狗定时器，带有8通道单端或差分输入的10位A／D转换芯片。本系统选用ATmega128作为电流源控制器，使用高精度、具有比较匹配中断功能的定时器，实现高精度的PID算法。

控制器主要实现以下功能：(1)控制键盘输入电流设定值；(2)控制A／D转换电路把实测电流值转换成数字量；(3)比较电流设定值与实测值的大小，根据比较结果，用PID算法进行调整；(4)控制D／A转换电路把调整好的数字电流量转换为模拟电压量；(5)显示设定电流值、实测电流值和步进电流值；(6)记录故障持续时间。

3.2 恒定电流源设计

本设计采用集成有运放的线性恒流源。电路由两个低漂移运放LM358、晶体管TIP41C、负载电阻R、限流电阻R3和直径为1mm康铜丝绕制成的电流反馈采样电阻RF组成，如图3所示。
 

采样电阻Rf将电流信号以电压的形式加到运放的输入端，构成电流并联负反馈电路，减轻后级电路对D／A的影响，同时可以得到恒流输出，使电流源具有较好的稳定性。TIP41C是大功率晶体管，工作在线性放大区时，最大集电极电流为4 A，放大倍数为20～70倍。

负载电流仅由输入电压决定，而与负载R的大小无关。由于运放电源的限制，负载只能在一定范围内变化。当输入电压不变时，负载电阻在一定范围内变化，输出电流将保持不变，构成恒流源电路。

本方案的另外一个特色是，采用康铜丝组成采样电阻，康铜丝的温度系数为5ppm／℃，通过电流时引导起的温度升高对其电阻阻值并不会有太大影响，温度特性好，同时采用反向对称绕法把其绕制成空心绕线电阻，以减少绕制电阻时产生附加的电感，达到减少纹波电流的目的。为保证足够的V-I转换精度，电路中各电阻应选用精密电阻。

3.3 A／D转换器设计

本系统的电流测量部分由12位A／D芯片TLC2543构成，该芯片是一种12位开关电容逐次逼近A／D转换器，芯片共有11个模拟输入通道。芯片的串行三态输出数据端、输人数据端、输入／输出时钟3个控制端能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口。12位A／D可以达到该系统的1％+1mA的精度要求。

3.4 声光报警电路

数控直流电流源有过流保护功能，即当实际电流输出超4000mA，可实现报警，并使输出电流降为0mA。

3.5 自制电源模块设计

本设计需要12V及5V直流电压。整个系统的电压外接220 V交流电压，将外接电压通过整流变压器得到15 V左右交流电压，再经过电桥整流得到直流电压，15 V直流电压经过电容的滤波，然后再通过三端稳压块7805转换得到5 V电压，通过三端稳压块7812得到12 V电压。