数控直流电流源设计报告

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1、数控直流电流源作品功能简介：在电子作品的设计、应用或测试中，一个稳定、精度高的电源尤为重要，为直流电源的应用更是广泛。本作品就是为其它设计的应用或测试提供一个稳定性高、精度高的直流电流源。本组的作品的设计方向就是稳定性高、精度高、纹波小、驱动能力强。本作品有两个个主要功能：功能一：输出20到2000mA的稳定电流，并且步进值可调（1mA、5mA、10mA、100mA）。功能二：可实时测试并显示负载上的电流值。功能三：有相应的提示功能。9（一）方案论证与比较从控制论的角度来看，某一系统要达到较高的控制精度，必须采用闭环控制。闭环的电流控制系统可以由如下

2、的原理框图来表示：执行器（功率放大器）控制器电流检测R+－被控对象（负载）Y图1闭环电流控制系统原理框图由上述原理框图可以知道，数控直流电流源的设计主要考虑三个方面的问题：电流控制器设计、功率放大电路设计和电流检测方法。此外，从电子系统设计的角度，还需考虑系统电源的设计。1．电流控制器设计电流控制可以有多种方案，如基于PWM技术的开关电源方案、基于模拟器件的模拟反馈压控方案、以及基于微控制器的数字反馈数控方案。方案一：基于PWM技术的开关电源方案。通过PWM技术来调节开关电源的电压输出，控制PWM信号的调制脉宽就可以控制输出电压，从而达到控制输出电流

3、的目的。该方案适合要求高功率输出的交流系统，同时电源效率上具有很大的优势，但是开关电源必然引入纹波噪声，在高精度要求的直流系统中，对滤波电路的要求非常高,难以实现。题目对电流精度及纹波要求很高，该方案难以胜任。方案二：基于模拟器件的模拟反馈压控方案。该方案采用三极管或集成运放，组成电流串联负反馈电路，三级管或运放工作在深度负反馈状态下，具有良好的压控恒流特性。典型的电路结构如图2所示。图2中，Re相当于取样电阻，输出RL上的电流通过Re在运放的输入端形成负反馈，由运放的虚短虚断，忽略三极管的基极电流，则可得到输出电流IL的表达式：图2模拟反馈压控方案

4、典型电路IL=Vi/Re⑴此方案实质上是由模拟器件作为了控制器，调节速度快，系统的跟随性好，即动态性能优越；但是，由于模拟器件固有的非线性特性，式⑴的精确度受到影响，电流控制稳态9性能不够良好。同时，反馈系统对外是封闭的，要得到电流值还需进行取样。方案三：基于微控制器的数字反馈数控方案。该方案将图1的系统数字化，在微控制器上设计调节器，通过A/D转化直接得到电流的数字值。图3是它的结构示意图。数字反馈控制的原理为：取样电阻串入负载回路，放大取样电阻两端的电压，通过A/D转换可以得到负载回路的电流值，采用一定的控制算法图3数字反馈数控方案结构图如P控制

5、、PI控制等，通过调节D/A输出的电压值达到对电流的控制。该方案的优点是，由于是数字系统，不存在调节器的线性度问题，因此稳态精度可以达到很高，同时也得到了电流值；缺点在于采用的是数字反馈和软件实现的调节器，系统的调节速度不够快，抗高频干扰和大幅度负载波动的能力较差。由于本题对电流控制的稳态精度要求很高，而没有对其动态性能提出要求，同时对抵抗负载的波动要求也不高，并且明确要求能够测量电流，综合考虑，选择方案三。2．功率放大电路本题要求的最大功率输出为10V×2A=20W，因此必须要有功率放大电路。同时由于题目要求纹波电流不大于2mA，因此对该功放电路的

6、漂移、纹波等要求很高。功率放大电路的实现方案非常灵活，可以采用分立器件如功率三极管、达林顿管等实现，电路结构灵活，成本低；也可以采用集成的功放芯片如LM1875等实现，电路简单。本题要求功率输出达到20W，而纹波小于2mA，因此，功放电路的容量应该远大于20W，这样才能在保证功率输出的同时，还能够保证低纹波输出。方案一：采用集成的功放芯片。LM12的最大输出功率为80W可以达到设计要求，但是其成本相当昂贵、性价比不高。LM1875的功率消耗大且输出功率只能勉强符合设计要求。方案二：采用分立器件。功率三极管、达林顿管电路结构灵活，成本低，但是电路所需元

7、件较多，电路的稳定性不高。大功率的场效应管IRF640最大输出电流16A、Vds能有200V足以保证本题的指标，且其电路结构简单、成本低。综合考虑，本设计选用了大功率的场效应管IRF640，足以保证本题的指标。3．电流检测方法常用的电流检测手段或方法有串电阻取样和霍尔元件检测，其中，霍尔元件检测是无接触式检测，很适合高压、大电流的检测，但是其精度不够高。本系统采用的是串电阻检测法，保证其检测精度。94．系统电源设计要保证高精度电流控制，首先要从系统本身尽可能减小电源扰动。而本题对于电源电路的要求比较高。一方面，要在功率放大这一级尽量减小纹波，则必须要

8、求其供电电源的容量大，纹波小；另一方面，由于整个闭环对于反馈环节的扰动是无法克服的，则反馈环节的稳定性、精确