基于STM32的数控电流源设计.docx
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基于STM32的数控电流源设计
摘要
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,服务于各个行业。
随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命,给电源技术提供了广阔的发展前景,同时也给电源技术提出了更高的要求。
现在市场上数控电流源的存在输出精度不高,功率密度比较低,带负载能力不强,体积大,价格较高,操作繁琐,工作状态不稳定等弊端,因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。
数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的,数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数,有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高生产效率和产品的可维护性。
所以,高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。
在本设计中将采用STM32单片机为系统的主控制器,能够实现多功能、宽范围、可调节等诸多功能,为更好的实现恒流提供条件,完成数控电流源的设计。
STM32片内集成的A/D转换器、D/A转换器和PWM发生模块降低了系统复杂程度,使系统简单,可靠,低价。
关键字:
电源技术;数控电流源;STM32;数字化
ABSTRACT
Powertechnology,especiallyCNCpowertechnologyisoneengineeringtechnologywithstrongpractice,itservicesforeveryfield.Moderninformationtechnologyrevolution,thatbroughtwiththedevelopmentofcomputerandcommunicationstechnology,providesabroaddevelopmentprospects,butalsomakesahigherdemandsinpowersupplytechnology.AtthepresenttimeCNCcurrentsourceonthemarketexistssomeshortcomings,suchasoutputprecisionisnothigh,thepowerdensityisrelativelylow,capacitywithaloadisnotstrong,bulky,expensive,complicatedoperations,instabilityworkingstateandsoon.SothemajordevelopdirectionofCNCpowerisspecializedfortheseshortcomings,andtoreformthem.Digitalintelligentpowermodulesismadeagainstthelackingoftraditionalintelligentpowermodules,digitizecanreduceuncertaintyandhumanparticipatingquantityoflinksintheproductionprocess,andresolvesomeengineeringproblemseffectively,suchasreliability,intelligence,productconsistencyproblemandsoon,andgreatlyimproveproductionefficiencyandmaintainabilityoftheproduct.Therefore,high-accuracyCNCDCcurrentsourcehasalotofspacetodevelop.Inthisdesign,STM32MCUwillbeusedasthemaincontrollerofthewholesystem,itcanachievethemulti-function,widerange,adjustable,andmanyotherfunctions,providingbetterconditionsforachievingconstantcurrentandcompletingthedesignofCNCcurrentsource.ItintegratesA/Dconverter,D/AconverterandPWMmoduleinSTM32chip,thusreducingcomplexityofthesystem,keepthesystemsimple,reliableandlowprice.
Keywords:
Powertechnology;Numericalcontrolcurrentsource;STM32;digital
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第1章1
1.1数控电流源项目的目的和意义1
1.2数控电流源在国内外的发展概况2
1.3基于STM32的数控电流源的设计的内容4
第2章5
2.1数控电流源的核心技术原理5
2.2方案的总体设计6
2.2.1数控电流源的主控芯片的选择6
2.2.2基于STM32的数控电流源系统结构8
2.2.3恒流源模块电路的方案讨论9
2.3本章小结9
第3章基于STM32数控电流源的硬件电路设计10
3.1恒流源模块电路的设计方案10
3.1.1以LM350A为恒流源模块的核心元件的恒流源电路10
3.1.2数控宽范围调整、大电流输出恒流源电路14
3.2数控部分16
3.3供电电源18
3.3.1三端稳压器18
3.3.2供电电源电路19
3.4本章小结20
第4章21
4.1主程序设计21
4.2负载电流取样子程序设计22
4.3键盘中断程序设计23
4.4LCD1062显示程序设计24
4.5本章小结24
结束语25
参考文献26
致谢28
附录29
附录A.29
附录B31
第1章引言
1.1数控电流源项目的目的和意义
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,服务于各个行业。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多科学领域。
随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命,给电源技术提供了广阔的发展前景,同时也给电源技术提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用,普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度,电源在使用时会造成许多不良后果。
世界各国纷纷对电源产品提出了不同的要求并制定了一系列产品精度标准,达标后才能够进入市场。
随着经济全球化的发展,满足国际标准的电源产品才能够获得通行证。
数控电源是从80年代才开始发展起来的产品,期间系统的电力电子理论开始建立。
这些理论为其后来的发展提供了良好的理论基础,在以后的时间里,数控电源技术开始长足的发展。
现在市场上数控电流源的存在输出精度不高,功率密度比较低,带负载能力不强,体积大,价格较高,操作繁琐,工作状态不稳定等弊端,因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。
所以,高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。
单片机技术及电压转换模块的出现为高精度数控电源的发展提供了有利条件。
新的变化技术和控制理论的不断发展,各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用。
电源采用数字控制,具有以下明显优点:
(1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。
(2)控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。
(3)控制系统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统(或不同型号的产品),采用统一的控制板,而只是对控制软件做一些调整即可。
(4)系统维护方便,一旦出现故障,可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试,故障查询,历史记录查询,故障诊断,软件修复,甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。
(5)系统的一致性好,成本低,生产制造方便。
由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,所以,其一致性很好。
由于采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降。
(6)易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。
为了得到高性能的并联运行逆变电源系统,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制,易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯),从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。
本课题主要研究的是基于你单片机的数控直流恒流源的设计,恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源,因此恒流源的应用范围非常广泛,并且在许多情况下是必不可少的。
例如,在用通常的充电器对蓄电池充电时,随着蓄电池端电压的逐渐升高,充电电流就会相应减少。
为了保证恒流充电,必须随时提高充电器的输出电压,但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压,从而使劳动强度降低,生产效率得到了提高。
恒流源还被广泛用于测量电路中,例如,电阻器阻值的测量和分级,电缆电阻的测量等,且电流越稳定,测量就越准确。
它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数,并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。
此外,线性扫描锯齿波的获得,有线通信远供电源、电泳、电解、电镀等化学加工装置电源,电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。
随着电力电子技术的不断发展,数控电源在以往使用线性电源的场合中也获得日益广泛的应用。
在一些工业场合需要提供电压源和电流源,而且要求范围广、纹波低。
如果采用多台功能单一的电源设备,体积和重量都会增加很多,不经济,也不能满足工作的要求。
因此研究开发多功能、宽范围、可调节的数控电源很有意义。
1.2数控电流源在国内外的发展概况
在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,随着对系统更高效率和更低功耗的要求,电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中直流/直流转换器向更高灵活性和智能化的方向发展,电源产业进入快速发展期。
一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平产品的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成果和产品。
目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足。
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是城都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还存在很大的差距和不足。
现今,随着数控直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分路原件和集成电路发展为微机控制,从而是直流电源智能化,具有遥测、遥信和遥控的三遥功能。
目前,全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上,产值由300-400亿元,但国内企业销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品,国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。
总体来说,国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后,面对吉列的国际竞争,是个严重的挑战。
上海江柏电子科技有限公司是一家专注生产与研发,精密线性高速可编程直流源,及锰铜分流器取样电阻,公司全系列可编程直流电源供应器具有双重性能。
即是恒压源,又是恒流源,是国内精密直流电源主要生产商与供应商之一,可满足不同用户电源的要求所需。
精密线性高速可编程直流电源采用线性结构方式制作,运用高速CPU处理器及16bitAD与DA数字转换以提供精准的数字化测量,产品性能卓越,是国内众多客户所需的最佳选择,能提供高频场所直流所需之要求,产品稳定性高,提供电压1mV分辨率及电流分辨率为1mA。
广泛应用于工业控制、通讯通信、军工、科研和教学及LED照明测试等领域。
分流器广泛用于扩大仪表测量电流范围,有固定式定制分流器和精密合金电阻器,均可用于通讯系统、电子整机、自动化控制的电源等回路作限流,均流取样检测。
随着电子技术的发展,恒流源已经广泛地应用在各个领域。
目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级,或者在百安培量级,不能满足所有输出段位的需求。
许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。
恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。
急于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点,输出电流范围在按培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。
但还需要通过实验做进一步深入的研究,这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。
而且数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的,数字化能够减少生产过程中的不确定因素和认为参与的环节,有效地解决了电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高了生产效率和产品的可靠性。
性能好的电子设备,首先离不开稳定的电源,电源稳定度越高,设备和外围条件越优越,那么设备的寿命更长。
基于此,人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。
当今社会,数控恒压技术已经很成熟,但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步,有待发展,高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。
1.3基于STM32的数控电流源的设计的内容
1、基本内容
设计一个基于STM32的数控电流源,该设计包括电流源模块、测量模块、供电模块和数控模块等,电流源模块采用了集成运放和大功率复合管构成的闭环电流深度负反馈电路。
由单片机控制高精度D/A的输出电压送入电流模块,可完成对输出电流的小步进控制。
测量模块是由双积分型高精度A/D来测量取样电阻的电压值进而转化为电流值来完成。
2、预期达到的目标
(1)可输出一路电流,范围100mA-2000mA,精度1%;
(2)具有良好的人机界面;
(3)对输出的电流进行反馈测量,以对其进行实时校准;
(4)V/I转换模块采用高效MOS管电路。
3、拟解决的主要问题
(1)如何实现恒流;
(2)输出电流的步进操作和设定操作的实现;
(3)主程序的编写。
第2章基于STM32的数控电流源的整体方案设计
2.1数控电流源的核心技术原理
恒流电源是为电流型负载提供稳定电流的重要仪器。
常见的恒流源电路方案有:
脉冲调宽式、线性负反馈方式等。
脉冲调宽式(开关式)恒流源通过改变调整器的工作脉冲宽度达到恒流的目的。
目前广泛应用于空间技术、计算机、通讯、家电等领域中。
这种恒流源调整器工作在开关状态、功率损耗小、效率高达70%~95%,但纹波电流大,辐射干扰强、恒流精度低。
线性负反馈式恒流源通过改变调整器的工作电压,使其输出电流保持恒定,具有失真小、稳定度高、纹波小等特点,但功率损耗大、效率较低,主要应用于高精度场合。
方案一:
此方案采用传统的调整管方案,主要特点在于使用一套十进制计数器完成系统的控制功能,一方面完成电压的译码显示,另一方面其输出作为EPROM的地址输入,而由EPROM的输出经D/A变换后去控制误差放大的基准电压,以控制输出步进。
方案二:
采用STM32系列单片机作为整机的控制单元,通过改变输入数字量来改变输出电压值,从而使输出功率管的基极电压发生变化,间接地改变输出电流的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小,可以经过片内ADC进行模数转换,间接用单片机实时对电流进行采样,然后进行数据处理及显示。
采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制,使系统硬件更加简洁,各类功能易于实现本系统以直流电源为核心,利用STM32系列单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,设置步进等级可达0.1V,并可由液晶显示来显示实际输出电流值和电流设定值。
利用单片机程控输出数字信号,经过片内D/A转换器输出模拟量,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电流。
单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控,通过A/D转换,实时把模拟量转化为数据量,经单片机显示,通过硬件的的反馈和比较环节,使电流更加稳定,构成稳定的压控电流源。
相比较两种方案,第一种方案已经成熟,但其操作繁琐复杂,需要对EPROM的地址进行大量的操作,不利于简化操作;第二种方案的控制相对较为简单,用户操作也较第一种方案简单,且STM32的功能强大,有利于进行功能的扩展。
综上所述,本设计的方案即定为第二种方案,将选择采用STM32单片机为系统的主控制器的压控电流方式。
2.2方案的总体设计
2.2.1数控电流源主控芯片的选择
数控电流源的主控芯片的性能将决定数控电流源系统功能优劣和能否扩展更多功能,本设计里将考虑到两种芯片,一种是较易于掌握的51系列单片机,一种是功能更强更全面的,性能更好的STM32系列单片机。
下面将对两种方案进行对比,选择一种更符合本设计的的方案。
方案一:
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,主要特点如下:
1、4kBytesFlash片内程序存储器;
2、128bytes的随机存取数据存储器(RAM);
3、32个外部双向输入/输出(I/O)口;
4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断;
5、6个中断源;
6、2个16位可编程定时器/计数器;
7、2个全双工串行通信口;
8、看门狗(WDT)电路;
9、片内振荡器和时钟电路;
10、与MCS-51兼容;
11、全静态工作:
0Hz-33MHz;
12、三级程序存储器保密锁定;
13、可编程串行通道;
14、低功耗的闲置和掉电模式。
AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
作为初学者是很好的入门工具,被大家所熟悉,上手快,节约开发时间。
图2.1AT89S51芯片
方案二:
使用基于Cortex-M3处理器内核的STM32微处理器,其主要特点如下:
1、Thumb-2指令集架构(ISA)的子集。
2、哈佛处理器架构,在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。
3、三级流水线。
4、32位单周期乘法。
5、具备硬件除法。
6、Thumb状态和调试状态。
7、处理模式和线程模式。
8、ISR的低延迟进入和退出。
9、可中断-可继续的LDM/STM,PUSH/POP。
10、ARMv6类型BE8/LE支持。
11、ARMv6非对齐访问。
12、分支预测功能
基于Cortex-M3处理器内核的STM32微处理器,以其高性能、低成本在众多MCU中占有举足轻重的地位。
由于使用嵌入式系统将为整个硬件电路的设计带来极大简化,如不再考虑过压保护电路、过流保护电路。
此外,STM32F103不但速度快,内部的资源极为丰富,如64引脚STM32F103RC有2个12位ADC,比单独使用一个ADC要便宜近一半。
综上所述,基于STM32的功能强大,此次设计确定使用基于Cortex-M3处理器内核的增强型STM32微处理器:
STM32F103VET6-LQFP100。
该型号有一百个引脚,供电电压为2-3.6V,本设计内供电电压为3.3V,片内包含三个A/D(16)和一个D/A
(2)(括号内为通道数),为本设计省去了外设的A/D和D/A。
图2.2STM32F103VET6-LQFP100芯片
2.2.2基于STM32的数控电流源系统结构
整机系统结构如图2.1所示。
图2.3数控电流源系统的结构框图
本方案围绕STM32芯片,由供电模块、液晶显示模块、报警模块、负载电流检测模块、恒流源模块、按键模块构成。
供电电模块:
我采用的是桥式整流结合三端稳压芯片的处理方法。
由此得到单片机使用的3.3V电源和驱动运算放大器的±15V电源,该模块中还包括为单片机内提供参考电压的恒定电压源,其电路由TL431为核心器件。
恒流源模块:
这个系统由精密运算放大器和STM32芯片内部12位DAC一组成,共同设定流过场效应管的
,同时由恒定电压源为DAC提供恒定的参考电压。
负载电流检测模块:
这个模块由STM32内部12位ADC和自制的0.2Ω康铜电阻组成。
液晶显示模块:
主要有LCD1062组成,负责显示参数和提供用户服务界面。
过流报警模块:
这个部分由蜂鸣器和红色的LED指示灯组成。
负责当发生过流现象时,给用户报警。
按键模块:
这是本系统的用户控制方式,采用4×4键盘模块。
2.2.3恒流源模块电路的方案讨论:
恒流源模块是本设计的核心模块之一,该部分电路的优劣直接影响到输出电流的质量,方案有两种:
1、以LM350A为恒流源的核心部件的恒流源电路
2、数控宽范围调整、大电流输出恒流源电路
方案的具体讨论将在第3章进行讨论。
2.3本章小结:
综上所述,通过方案的比较和芯片的比较,本设计最终确定,主控芯片采用基于Cortex-M3处理器内核的STM32F103VET6-LQFP100微处理器,以压控电流为控制方式,完成数控电流源系统的总体设计。
总体电路包括:
供电模块、液晶显示模块、报警模块、负载电流检测模块、恒流源模块、按键模块。
最后完成数控电流源的系统框图的设计。
第3章基于STM32数控电流源的硬件电路设计
3.1恒流源模块电路的设计方案
数控电流源的设计中,恒流源电路关系重大,恒流源模块电路的好坏直接影响到数控电流源系统输出电流的质量,如果恒流源模块电路设计不当,将会得不到稳定的准确的电流值。
本节将就恒流源模块电路的设计方案和细节进行讨论。
3.1.1以LM350A为恒流源的核心元件的恒流源电路
恒流源部分本身是一个独立的线性负反馈恒流源,如图3.1所示。
图3.1数控电流源的恒流源部分
U2(LM350A)为可调稳压器,依靠外接电阻来调节输出电压,选择精度高的电阻可保证输出电压的精度和稳定性。
在本设计里,LM350A为调整器,是恒流源的核心部件。
负载电流经采样电阻R7,产生微弱的采样电压,经过超低噪声运算放大器U5B同相放大。
放大的电压信号送往由U3B组成的差分放大器的负端(同时送往数控部分进行A/D转换)。
差分放大器把负端采样电压与正端的数控部分设定电压的差值进行放大,输出到调整器的调整端,形成闭环反馈。
若有某种情况使负载电流增加,则采样电阻上的电压增加,使同相放大器U5B输出电压变大,差分放大器输出电压减小,调整器调整端电压减小,调整器输出电压变低
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