数控恒流电源系统设计

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1、数控直流恒流电源系统设计数控直流恒流电源系统设计（改用（改用 C51 单片机）单片机）0 0 引引 言言数控直流恒流电源系统设计有两种基本方法：一种是串联型电流源；另一种是开关型电流源。开关型 PWM 控制恒流源是使用较多的方法，开关管的功耗理想值为零，即开关管的理想工作状态是导通（有电流无电压-饱和导通）和断开（有电压无电流-截止） 。工程上难以达到理想状态，但可通过元件选用和完善电路使其接近理想状态。鉴于上述分析，本题目的设计方案应选择开关型 PWM 控制恒流源。1 1 数控恒流源原理数控恒流源原理数控直流恒流源框图如图 1 所示。图 1 数控直流恒流源框图主电路回路由 PMOS 开关管、

2、DLC 滤波电路、锰铜标准电阻和负载构成，通过控制 PMOS开关管电路的通断来调节负载电流大小，电流值正比于 CPLD 发出的 PWM 控制信号占空比。本系统控制回路通过拨码盘输入电流设定值，经 MSP430 单片机处理、转换成数字量控制CPLD，使其发出占空比与该数字量成正比的 PWM 信号，由 PWM 控制信号经三极管驱动电路1来控制开关管的通断时间，最终来调节负载电流的大小，达到负载输出电流恒定的目的，因此本设计称为数控直流恒流源系统。控制回路通过锰铜标准电阻采样输出电流值，采样信号经巴特沃思滤波电路、A/D 转换电路输入单片机，与设定值比较后调节 CPLD 发出高频PWM 占空比，构成

3、闭环控制系统。2 2 电路设计电路设计2.12.1 负载电路设计负载电路设计PMOS 管驱动电路图如图 2 所示。VDD1uFCb40.01ufCb2510Rg510Rb4010Rx1Rvref4700uf/50v+ CQ_90131kRb2PWM信信Q_95404.1mHL信信信信图 2 PMOS 管驱动电路图当三极管 9013 基极加入 PWM 控制信号后，大功率 PMOS 管 9540 栅极也将输出相应 PWM波，其幅值与 VDD 接近。滤波后电压平均值随 PWM 波的占空比 d 变化。Ix=Vx/（Rx+Rref） ，因此，输出电流也将随 PWM 波的占空比变化。根据电流给定值 Is

4、和 AD 转换测得电流值（Ic=Vref/Rref）之差，调整占空比 d 使电流给定值与测得值之差小于 10mA（或 1mA）即可满足设计要求。此时，电路输出电流在给定值附近波动，实现的是闭环动态平衡。图 2 中的 Cb4、Cb2 就是开关管的加速电容。当 PWM 控制信号上升沿到来时，Cb2、Cb4等效于短路，PWM 幅值电压反相后瞬间加到 PMOS 管栅极使其迅速进入导通状态。上升沿过后 Cb2、Cb4 电压被逐渐充到 PWM 幅值，PWM 下降沿到来时，Cb2、Cb4 反向放电消除栅极2电容所积电荷对进入断开状态的影响，使开关管快速关断。2.22.2 MSP430F169MSP430F1

5、69 系统电路系统电路MSP430F169 系统电路图如图 3 所示1234567891011121314151617181920LCM 12864VSSVDDVODB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVOUTSLASLKR/WED/IVCC11KR02100kR0122pFC31N4842D5VCCVCC12XTAL_8MHz15pC1 15pC212XTAL_32768Hz100KRpDVcc1P1.4/SMCLK16P1.5/TA017 P1.6/TA118 P1.7/TA219 P2.0/ACLK20 P2.1/TAINCLK21 P2.2/CAOUT/T

6、A022 P2.3/CA0/TA123 P2.4/CA1/TA224 P2.5/Rosc25 P2.6/ADC12CLK/DMAE026 P2.7/TA027 P3.0/STE028 P3.1/SIMO/SDA29 P3.2/SOMI030 P3.3/UCLK0/SCL31 P3.4/UTXD032P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A6/DAC05P6.7/A7/DAC1/SVSIN6Vref+7XIN8XOUT/TCLK9Veref+10Vref-/Veref-11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P3.5/URXD0

7、33P3.6/UTXD134P3.7/URXD135P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238P4.3/TB339P4.4/TB440P4.5/TB541P4.6/TB642P4.7/TBCLK43P5.0/STE144P5.1/SIMO145P5.2/SOMI146P5.3/UCLK147P5.4/MCLK48P5.5/SMCLK49P5.6/ACLK50P5.7/TBOUTH/SVSOUT51XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56TCK57/RST/NMI58P6.0/A059P6.1/A160P6.2/A261AVss62DVss63AVc

8、c64MSP430F1691000pFCs11000pFCs2VCC1/RSTDB7DB5DB6DB0DB1DB2DB3DB4CS2CS1D/I ER/WT1WD470 50VC107805470uFC11VinVoutGNDVCC17.5V 220V10KR12 10KR13 10KR14 10KR15VCC C1248BN1P6.4P6.5P6.6P6.7I/O4I/O5I/O6I/O8I/O9I/O11I/O12I/O14I/O16I/O17I/O18I/O19I/O20I/O21I/O24 I/O25 I/O26 I/O27 I/O28 I/O29 I/O31 I/O33 I/O34

9、I/O36 I/O37 I/O39 I/O40 I/O41IN/GCLK143IN/GCLRn1IN/OE144IN/OE2/GCLK22TCK / I/O32TDI / I/O7TDO / I/O38TMS / I/O13GND10GND22GND30GND42VCC3VCC15VCC23VCC35LAB ALAB BEPM7032SLI44-10n0n1n11n8n9n10n7n5n6n4n3n2VCC1PWM20pFCX1100MHz信信信信VCC1 1478AD信信信信n0n1n2n3n4n5n6n7n8n9n10n11图 3 MSP430F169 系统电路我们不仅可以看到 MSP43

10、0F169 与 LCM 接口电路图，还看以看到 MSP430F169 与 CPLD 接口电路图、键盘输入电路和电源电路。由 MSP430F169 单片机的十二个引脚和 CPLD 十二个接口连接在一起，达到 PWM 控制信号并联输出的目的。LCM12864 液晶显示模块3是由 128 列 64 行液晶显示点阵和其控制电路组成，整个电路板外形、尺寸如图 3 所示。MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在许多领域得到了广泛应用。MSP430 系列单片机具有以下主要特点：超低功耗；强大的处理能力；高性能模拟技术及丰富的片上外围模块；方便高效的开发环境；系列化产品。该

11、显示模块不仅可以显示数字，还可以显示汉字和图形。模块电路板下端有 20个接线引脚，其中 VDD 与 VSS 引脚是 LCM12864 液晶模块电源与地接入端，Vout 是LCM12864 液晶模块自生成负电压输出端。Vo 需要一个外部的 0V-10V 负压输入，可接入电位器调整液晶灰度。在背光电路中需要串接 5 欧姆电阻，直接将背光接入电源可能会造成损坏。其余引脚由单片机控制。2.32.3 巴特沃思滤波电路设计巴特沃思滤波电路设计理想滤波电路的频响在通带内应具有一定的幅值和线性相移，而在带阻带内其幅值应该为零。实际的滤波电路往往难以达到理想的要求。如要同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更为

12、困难。因此，只有根据不同的实际需求，寻求最佳的近似理想特性。例如，可以主要着眼频率响应，而不考虑相频响应；也可以从满足相频响应出发，而把幅频响应居于次要地位。根据不同要求，最常用的低通有源滤波电路有三种，即巴特沃思、切比雪夫和贝赛尔滤波电路4。巴特沃思滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢；切比雪夫电路能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波5；而贝赛尔滤波电路着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群时延基本是恒定的，可得到失真较小的波形。巴特沃思低通滤波器的作用是消除测量回路中的高频杂波，下面是有源滤波电路。图 4 巴特沃思滤波电路3 3 软件流程图软件流程图二分法控制程序流程图框图如图 5 所示。图 5 二分法控制程序流程图框图通过每次把 f(x)的零点所在小区间收缩一半的方法，使区间的两个端点逐步迫近函数的零点，以求得零点的近似值，这种方法叫做二分法。二分法控制程序优点是减少了查找的次数，提高了查找效率。4 4 结论结论本文介绍了数控直流恒流源系统设计，经方案论证选择了开关型 PWM 控制恒流源方法。经框图设计，将电路划分负载回路和控制回路。达到了设计目的，而且降低了所设计的仪器成本。