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选题： 数控直流电流源 组员： 呼进国 黄纪玮 崔振科 指导老师： 袁有臣 （青岛科技大学 自动化与电子工程学院 测控技术与仪器） 摘要：本设计方案是在他激型推挽式开关电源的基础上，利用EasyARM1138单片机中的PWM发生器产生占空比不同的两组方波来实现电子开关的通断来控制直流电流源的输出电流范围，并通过电压采样电路反馈ARM1138并由其编程控制占空比，以确保输出电流稳定。制作了试验电路并对推导的稳态模型进行了仿真和验证，实测结果表明：基于双激式开关电源的数控直流电流源，具有输出功率大、电压纹波小、电压电流输出特性好等优点。 关键词：开关电源；推挽；PWM发生器；占空比 1.绪论 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，涉及了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。计算机和通讯技术的发展，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。普通电源由于精确度不高等缺点已不能满足现实的需要。直到单片机技术及电压转换模块的出现，才使精确数控电源的发展有了可能。本文所设计的数控电流源采用ARM1138单片机为核心部件，键盘、显示、D/A、A/D、推挽式开关电源等模块为外围电路。 2.设计要求和总体设计思路 2.1设计要求 本设计要求：输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V；通过键盘控制输出电流，步进≤10mA；纹波电流≤2mA；自制电源。 2.2数控直流源总体设计思路 一、方案比较 方案一：以可调直流稳压电源为基础，如图1所示。当R2固定时，可保证流过负载的电流恒定，通过调节R2的大小，即可以实现改变负载电流的目的。该方案可以输出较大的电流，但难于实现数控要求。 Vin Vout R R2 R1 Rl ADJ Vin 图 1 可调稳压管实现恒流源 方案二：采用基于运算放大器和晶体管构成的电流深度反馈电路。该方案在电路中引入了深度电流负反馈，因此可以保证输出电流具有很高的稳定性和线性度。电流源所需要的控制电压由D/A转换器提供，易实现输出电流的小步进调节。但此方案实现的硬件电路庞大复杂，该方案如图2所示。 D/A转换器 D/A转换器 带有电流负反馈的直流电流源 Vc 单片机输出 Rl 电源 图 2 电流负反馈的直流电流源 方案三：采用的电流源是推挽式开关电源，配合ARM1138单片机内部的脉宽调制电路（PWM电路）输出两组占空比不同的方波作为他激型推挽式开关电源的开关接通断开信号来控制开关电源的输出电压，在输出端对输出采样反馈到ARM1138并在ARM1138内部模拟比较器中与参考电压比较后经软件调整占空比等参数来实现输出的稳定从而确保输出的精度。此方案硬件电路简单，易于实现，并且精度较高，波纹电流小，输出功率大，该方案杀完结构组成原理框图如图3所示。 综上所述，可知采用推挽式开关电源比较容易实现，且精度较高，波纹系数小，故采用方案三。 二、主要单元电路设计、分析及论证 本数控直流电流源系统主要由数控模块部分、电流源模块部分和键盘显示电路等几部分组成。其中以数控模块和电流源模块为主要设计部分，其他模块要求不高，容易实现。 1.数控模块 数控模块可以采用传统的逻辑电路组成，如采用数字电路和FPGA门阵列等，也可以采用单片机系统。单片机系统具有灵活的接口和在线编程能力，容易实现体重有关键盘设置、显示以及测量功能等。考虑到电路中用到A/D、D/A转换，PWM发生器，模拟比较器等电路故采用以ARM? CortexTM-M3为核心的ARM1138单片机完成对整个电路的控制。 2.电流源模块 电源模块的选择考虑到电压纹波小、电压电流输出特性好等特点采用他激型推挽式开关电源。开关电源电路是由开关管(调整管)、变换器、取样电路、比较放大电路、基准电源和激励器组成的控制环路及保护电路组成,通过取样比较的控制环路来检测输出电压的变化,并以此控制调整元件进行调整,进而稳定输出电压,开关管(调整管)工作在开关状态.输出端多了一个变换器作滤波和续流之用.这是因为开关管输出的是矩形脉冲,必须加以平整,以免在电路中出现电流、电压跳变现象.开关管基极控制电压是矩形脉冲,故控制电路中取样比较取出的直流误差电压不能直接去控制开关管,而需将其转换为矩形脉冲,这就增加了直流矩形脉冲转换电路.通常有脉宽调制器和压控频率变换器两种形式。本设计中采用ARM1138中的PWM电路产生矩形脉冲来控制开关管。推挽式开关电源可以看成是有隔离功能的boost- buck DC-DC变换器。高频变压器磁芯被双向磁化，相同磁芯尺寸的推挽变换器，能够输出更大的功率。 1.推挽式变压器开关电源工作原理： 图2是他激型推挽式开关电源工作