基于atmega16單片機閉環(huán)控制的數(shù)控電流源設(shè)計

1、應(yīng)用技術(shù)研究作者簡介：林毓梁男電氣工程系副主任講師翟慶一男電氣工程系講師1基于基于ATMEGA16單片機閉環(huán)控制的數(shù)控電流源設(shè)計單片機閉環(huán)控制的數(shù)控電流源設(shè)計林毓梁翟慶一陳明坤段海侖白光遠(yuǎn)[文章摘要文章摘要]本設(shè)計采用高性能單片機ATMEGA16控制VI轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)了一種數(shù)字可控直流電流源。主要由控制電路、顯示電路、DA轉(zhuǎn)換、VI轉(zhuǎn)換電路、電流采集電路和通訊電路等部分組成。該電流源電路利用集成運放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)實現(xiàn)壓控電流源，并通

2、過單片機控制高精度DA轉(zhuǎn)換控制電壓輸出來實現(xiàn)電流數(shù)字控制。結(jié)合電流檢測構(gòu)成負(fù)反饋，通過閉環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。這種方法設(shè)計的電流源性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強，可以通過鍵盤來實現(xiàn)對輸出電流的高精度調(diào)節(jié)。[關(guān)鍵字關(guān)鍵字]：電流源單片機ATMEGA16反饋PID控制1、引言引言直流數(shù)字式電流源因能夠為電路提供穩(wěn)定的電流而廣泛的應(yīng)用在電子測量，儀器儀表、教學(xué)實驗中，另外，由于電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點，因此在模擬

3、集成電路中，常把它作為各放大級的有源負(fù)載，提高電壓增益，同時為集成運放各級提供穩(wěn)定的偏置電流。2、設(shè)計要求設(shè)計要求為滿足實際需要本設(shè)計要求數(shù)控電流源具備以下性能：（1）輸出電流范圍：200mA～2000mA；（2）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的1%10mA；（3）具有“”、“”步進調(diào)整功能，步進≤10mA；（4）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1%1

4、0mA；（5）紋波電流≤2mA；3、數(shù)控電流源工作原理、數(shù)控電流源工作原理根據(jù)基本的電路理論，當(dāng)集成運放工作在深度負(fù)反饋情況下，可以實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)壓控電流源，其原理圖如圖1所示：通過理論分析我們可以得到uf≈i0Rfi0＝ufRf又因集成電路工作在深度負(fù)反饋情況下，故有uf≈uii0＝uiRf圖1壓控恒流源工作原理由以上推論可得出輸出電流不受負(fù)載電阻RL控制而只受給定電壓Ui影響，即為壓控電流源，也就是說實現(xiàn)了電壓到電流的轉(zhuǎn)

5、換。因此，我們可以利用單片機通過AD轉(zhuǎn)換來控制控制電壓就可以控制輸出電流大小，為了使輸出電流更加穩(wěn)定，我們在電路中引用了多級負(fù)反饋使恒流源在負(fù)載變化較大范圍內(nèi)輸出電流具有高穩(wěn)定度。此外，為獲得更好的電流穩(wěn)定性，我們還可以通過檢測輸出電流，引入電流負(fù)反饋，形成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合PID算法實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。4、系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計方案4.1硬件設(shè)計硬件設(shè)計根據(jù)上述的設(shè)計思想，最終形成的系統(tǒng)硬件框ioUfU0RlRfUi應(yīng)用技術(shù)研

6、究3圖4本地模式流程圖5、控制算法和控制目標(biāo)的產(chǎn)生、控制算法和控制目標(biāo)的產(chǎn)生為實現(xiàn)精確的電流控制，本系統(tǒng)引入了電流負(fù)反饋，構(gòu)成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，單片機通過ADS774采樣電流大小，經(jīng)過比例微分積分環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生用于控制電流大小的電壓值?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖5所示。圖5電流閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖PID調(diào)節(jié)中的積分運算，在模擬電路中可以采用積分電路來實現(xiàn)，在利用單片機實現(xiàn)PID時，可以采用離散增量PID算法，具體控制過程為:單片機經(jīng)AD芯片讀出實際輸出

7、電流IK，然后和設(shè)定電流IS相比較，得出差值EK=IS－IK單片機根據(jù)EK的正負(fù)大小，調(diào)用PID公式，計算出本次電流調(diào)節(jié)的增量△IK，然后根據(jù)前一次DA芯片輸出電流Iq1，計算出本次電流輸出Iq離散增量PID的計算公式為：△IK＝KP［（EK－EK1）＋KIEK＋KD（EK－2EK1＋EK2）］＝KP(EK－EK1)K’IEKK’D(EK－2EK1EK2)式中：K’I=KP＊KI，K’D=KP＊KD，EK為本次采樣時刻的電流誤差，EK1

8、為上次采樣電流誤差，EK2為再上次采樣電流誤差值。使用PID算法能否達(dá)到設(shè)計的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在于調(diào)整好三個關(guān)鍵參數(shù)：KP比例系數(shù)、積分系數(shù)KI，和微分系數(shù)KD根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性分析，并結(jié)合MATLAB仿真實驗結(jié)果，確定KP＝0.175，KI=0.146，KD＝0.932。6、性能分析與測試、性能分析與測試壓控電流源電路通過仿真軟件進行仿真，得到了良好的輸出電流波形，如圖6所示。圖6恒流源電路仿真結(jié)果從圖上看在輸入電壓為0到5V變化時最終在輸

9、出電阻上得到的輸出電流能良好的復(fù)現(xiàn)Ui的變化說明輸出電流能良好的受給定電壓Ui控制，實現(xiàn)了原來壓控電流源的設(shè)想。經(jīng)過對制作出的樣機進行實際的測試，當(dāng)給定某一設(shè)定的電流值時，輸出電流穩(wěn)定且誤差控制在1%以內(nèi)。測試結(jié)果見表1。表1電流源的測試結(jié)果設(shè)定值mA毫安表讀數(shù)mA誤差％6005950.8％10009930.7％140013910.6％160015880.75％200019850.75％結(jié)論：結(jié)論：本設(shè)計利用集成運放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)

10、實現(xiàn)了一種壓控電流源，并通過單片機控制高精度DA轉(zhuǎn)換控制電壓輸出來實現(xiàn)電流數(shù)字控制。結(jié)合電流檢測構(gòu)成負(fù)反饋，通過閉環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。這種方法設(shè)計的電流源性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]劉國榮計算機控制技術(shù)與應(yīng)用。機械工業(yè)出版社[2]馬潮Atmega8原理應(yīng)用手冊清華大學(xué)出版社[3]Atmega16中文手冊雙龍公司資料[4]羅小巧等高精度寬量程智能電流源的設(shè)計電氣電子教學(xué)學(xué)報第26卷第6期＋－PI