基于混合最優(yōu)算法的高精度數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)

　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)

　　設(shè)計(jì)并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200～240V，50Hz；輸出直流電壓≤10V。原理框圖如1所示。

　　要求：輸出電流范圍：200mA～2000mA；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(duì)值≤給定值的1％+10mA；具有步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA；紋波電流≤2mA；改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1％+10mA。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　鑒于目前數(shù)控直流源一般采取運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)方案大多為開環(huán)系統(tǒng)，主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示，沒有對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)和控制。本文在傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理，引入電流負(fù)反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運(yùn)算放大器的反向輸入端，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)；軟件方面，將具有全局尋優(yōu)能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優(yōu)能力強(qiáng)的直接搜索法結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)基于遺傳算法和直接搜索策略的混合優(yōu)化算法，充分利用了遺傳算法的全局搜索能力并以此作為優(yōu)化過程的“粗調(diào)”，同時(shí)利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優(yōu)化過程的“微調(diào)”，集中了兩者的優(yōu)點(diǎn)，而克服了兩者的弱點(diǎn)，得到的目標(biāo)函數(shù)值較遺傳退火策略更優(yōu)，而且一致性更好，用于PID參數(shù)整定是具有整定速度快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合PID算法，形成軟件閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。

　　系統(tǒng)工作原理如下：由鍵盤預(yù)置電流值，輸入到單片機(jī)；采樣電阻采集的電流信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，當(dāng)兩值之差絕對(duì)值為零或不大于設(shè)定值時(shí)，不作任何調(diào)整；當(dāng)兩值之差大于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)用PID算法進(jìn)行調(diào)整，送人D／A轉(zhuǎn)換，調(diào)整輸出電流，直到差值在允許的范圍內(nèi)。單片機(jī)控制液晶顯示電流的設(shè)定值、實(shí)際輸出值和電流步進(jìn)值。其原理示意圖如2所示。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)控直流電流源由自制電源電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、D／A轉(zhuǎn)換電路、恒定電流源電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和輸出電流采集等模塊電路組成。

　　3.1 采用比較適合的新型的Atmega128單片機(jī)

　　目前大多數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)方案是以51系列單片機(jī)作為電流源控制器，該系列單片機(jī)性價(jià)比高，接口電路開發(fā)成熟，應(yīng)用廣泛。但其執(zhí)行速度慢，集成的電路穩(wěn)定性差，且容易受干擾，內(nèi)部沒有看門狗電路，容易死機(jī)，沒有集成A／D、D／A轉(zhuǎn)換芯片。與51系列單片機(jī)相比，ATmega128具有高速運(yùn)行處理能力，電路穩(wěn)定性好，內(nèi)部有可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時(shí)器，帶有8通道單端或差分輸入的10位A／D轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)選用ATmega128作為電流源控制器，使用高精度、具有比較匹配中斷功能的定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)高精度的PID算法。

　　控制器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)控制鍵盤輸入電流設(shè)定值；(2)控制A／D轉(zhuǎn)換電路把實(shí)測(cè)電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；(3)比較電流設(shè)定值與實(shí)測(cè)值的大小，根據(jù)比較結(jié)果，用PID算法進(jìn)行調(diào)整；(4)控制D／A轉(zhuǎn)換電路把調(diào)整好的數(shù)字電流量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量；(5)顯示設(shè)定電流值、實(shí)測(cè)電流值和步進(jìn)電流值；(6)記錄故障持續(xù)時(shí)間。

　　3.2 恒定電流源設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用集成有運(yùn)放的線性恒流源。電路由兩個(gè)低漂移運(yùn)放LM358、晶體管TIP41C、負(fù)載電阻R、限流電阻R3和直徑為1mm康銅絲繞制成的電流反饋采樣電阻Rf組成，如圖3所示。

　　采樣電阻Rf將電流信號(hào)以電壓的形式加到運(yùn)放的輸入端，構(gòu)成電流并聯(lián)負(fù)反饋電路，減輕后級(jí)電路對(duì)D／A的影響，同時(shí)可以得到恒流輸出，使電流源具有較好的穩(wěn)定性。TIP41C是大功率晶體管，工作在線性放大區(qū)時(shí)，最大集電極電流為4 A，放大倍數(shù)為20～70倍。

　　負(fù)載電流僅由輸入電壓決定，而與負(fù)載R的大小無關(guān)。由于運(yùn)放電源的限制，負(fù)載只能在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化，輸出電流將保持不變，構(gòu)成恒流源電路。

　　本方案的另外一個(gè)特色是，采用康銅絲組成采樣電阻，康銅絲的溫度系數(shù)為5ppm／℃，通過電流時(shí)引導(dǎo)起的溫度升高對(duì)其電阻阻值并不會(huì)有太大影響，溫度特性好，同時(shí)采用反向?qū)ΨQ繞法把其繞制成空心繞線電阻，以減少繞制電阻時(shí)產(chǎn)生附加的電感，達(dá)到減少紋波電流的目的。為保證足夠的V-I轉(zhuǎn)換精度，電路中各電阻應(yīng)選用精密電阻。

　　3.3 A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的電流測(cè)量部分由12位A／D芯片TLC2543構(gòu)成，該芯片是一種12位開關(guān)電容逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器，芯片共有11個(gè)模擬輸入通道。芯片的串行三態(tài)輸出數(shù)據(jù)端、輸人數(shù)據(jù)端、輸入／輸出時(shí)鐘3個(gè)控制端能形成與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸較快和較為有效的串行外設(shè)接口。12位A／D可以達(dá)到該系統(tǒng)的1％+1mA的精度要求。

　　3.4 聲光報(bào)警電路

　　數(shù)控直流電流源有過流保護(hù)功能，即當(dāng)實(shí)際電流輸出超4000mA，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并使輸出電流降為0mA。

　　3.5 自制電源模塊設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)需要12V及5V直流電壓。整個(gè)系統(tǒng)的電壓外接220 V交流電壓，將外接電壓通過整流變壓器得到15 V左右交流電壓，再經(jīng)過電橋整流得到直流電壓，15 V直流電壓經(jīng)過電容的濾波，然后再通過三端穩(wěn)壓塊7805轉(zhuǎn)換得到5 V電壓，通過三端穩(wěn)壓塊7812得到12 V電壓。

　　3.6 人機(jī)交互界面

　　與數(shù)碼管相比，液晶顯示屏具有功耗低、可視面積大，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，字符操作方便等特點(diǎn)，并且編程容易，占用控制器的資源不多等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用LCD1602顯示0～2300mA電流，發(fā)光二極管LED1、LED2指示電流測(cè)量方式和電流設(shè)定方式，當(dāng)二者交替點(diǎn)亮表示當(dāng)前為交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值，LED3、LED4、LED5分別指示3種步長(zhǎng)(1mA、10mA、100mA)。

　　因編碼鍵盤掃描采用中斷方式，具有占用I／O口較少的優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用2×8編碼鍵盤，共16個(gè)按鍵。編碼鍵盤采用硬件電路代替軟件判斷按鍵編號(hào)的方式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，鍵盤通過優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼，編碼器同時(shí)向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，單片機(jī)讀取鍵號(hào)，調(diào)用按鍵子程序進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　3.7 D／A轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)輸出電流范圍10mA～4000mA、步進(jìn)1mA的要求，應(yīng)選用分辨率高的DAC，本設(shè)計(jì)采用MAX538為D／A轉(zhuǎn)換電路的核心器件。

　　MAX538是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高、功耗低等特點(diǎn)。本芯片為8腳串口數(shù)據(jù)輸入D／A轉(zhuǎn)換芯片，占用單片機(jī)引腳資源少，程序編輯方便,外圍電路擴(kuò)展簡(jiǎn)單。由于MAX538具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為4.096V，由公式()可得MAX538輸出電壓精度為1(mV)，加在阻值為1Ω的康銅絲電阻兩端可使其產(chǎn)生1(mA)電流(即步進(jìn)1mA)，試驗(yàn)顯示能達(dá)到指標(biāo)。

　　3.8 系統(tǒng)的組成

　　(1)控制器件：ATmega128單片機(jī)；

　　(2)鍵盤輸入電路：2 × 8編碼鍵盤；

　　(3)顯示電路：LCD1602；

　　(4)恒定電流源電路：LM358、TIP41C、采樣電阻Rf；

　　(5)聲光報(bào)警電路：發(fā)光二極管和蜂鳴器；

　　(6)記錄故障時(shí)間：ATmega128單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；

　　(7)A／D轉(zhuǎn)換器：TLC2543；

　　(8)D／A轉(zhuǎn)換器：MAX538；

　　(9)自制電源模塊：整流變壓器、整流橋、電容、三端穩(wěn)壓塊7812及7805