【正文】 D/A輸出原理圖 D/A 轉(zhuǎn)換器采用 MAX5由 于在實(shí)際電路中器件存在溫度漂移、內(nèi)電阻等誤差，所以實(shí)際輸出步長(zhǎng)不能達(dá)到 。由于采用 10 位的 D/A芯片，故 D/A 輸出調(diào)整電壓精度為 / 1024 = 。電壓疊加電路在起始點(diǎn)調(diào)整電路的基礎(chǔ)上添加 PID 算法的調(diào)整量。起始點(diǎn)調(diào)整電路的作用是當(dāng)D/A 零輸入 時(shí)，設(shè)置 Uc 的輸出電壓。為了保證采樣電阻盡可能不受輸出電壓變化的影響，單獨(dú)采用 /10W采樣電阻進(jìn)行電壓反饋。第二只運(yùn)放作為比較器，它的正輸入端的信號(hào)由 DA 轉(zhuǎn)換器提供。 25 AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1) PA139(ADC2) PA238(ADC3) PA337(ADC4) PA436(ADC5) PA535(ADC6) PA634(ADC7) PA733PC022PC123PC224PC325PC426PC527(TOSC1) PC628(TOSC2) PC729PD7 (TOSC2)21PD6 (ICP)20AVCC30AREF32PD1 (TXD)15PD0 (RXD)14GND11VCC10ATMEGA16_DIP40+5V 圖 ATmega 16引腳圖（ PDIP） 可調(diào)電流源主電路 該恒流源主電路是由兩個(gè)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電 流放大電路、負(fù)載電阻和采樣電阻等構(gòu)成。并且 AVR 單片機(jī)具有 ISP（ In System Programming）功能。 AVR 單片機(jī)采用哈佛 (Harvard)總線結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開(kāi)的。RISC 先使用頻率通過(guò)最高的簡(jiǎn)單指令、避免復(fù)雜指令、采用固定指令長(zhǎng)度、減少指令格式和尋址方式 等方法來(lái)縮短指令那個(gè)周期，提高處理器的運(yùn)算速度。 AVR 控制器電路 AVR 單片機(jī)是 Atmel 公司推出的一款基于 RISC 指令架構(gòu)的高性能、低功耗的 8位單片機(jī)。系統(tǒng)框架如圖 所示 。此外，如果上位 PC 機(jī)有請(qǐng)求，能通過(guò)串口接口電路與 PC 機(jī)進(jìn)行通信。我們選用的 AVR 為 ATmega 16，它是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，接收來(lái)自鍵盤的信息，對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理，從而確定儀器的工作狀態(tài)及輸出電壓的大小 。 AVR 微控制器是數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的核心。 PID 控制器 （ 1）模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 表 21 模擬 PID 控制規(guī)律 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( （ 2）數(shù)字 PID 控制器的差分方程 ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnuDIPniDIP??????????? ????? ?? （ 23） 式中 )()( neKnu PP ? 稱為比例項(xiàng) 21 ???niIPI ieTTKnu0 )()( 稱為積分項(xiàng) ? ?)1()()( ??? neneTTKnu DPD 稱為微分項(xiàng) （ 3） 常用的控制方式 1） P控制 0)()( ununu P ?? （ 24） 2） PI控制 0)()()( unununu IP ??? （ 25） 3） PD控制 0)()()( unununu DP ??? （ 26） 4） PID 控制 0)()()()( ununununu DIP ???? （ 27） （ 4） PID 算法的兩種類型 1）位置型控制 ? ? 00 )1()()()()( uneneTTieTTneKnu niDIP ??????? ????? ?? （ 28） 2）增量型控制 ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()1()()(?????????????neneneTTKneTTKneneKnununuDPIPP （ 29） 本章小結(jié) 本章主要討論了恒流源的工作原理、常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)型電源、 PID 控制算法和 PWM調(diào)制方式在數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式上的分析，確定了系統(tǒng)的總體方案，對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行了分析。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) TI， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 PID 調(diào)節(jié)器的微分方程 ?????? ??? ? t DIP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( （ 21） 式中 )()()( tctrte ?? PID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) 20 ?????? ???? STSTKSE SUSD DIP11)( )()( （ 22） (3） PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用 1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例 +積分 (PI)控制器，會(huì)使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋 ( Negative Feedback)，本系統(tǒng)即采用了閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但輸出誤差較大，鑒于本題目對(duì)輸出誤差有嚴(yán)格的要求，所以應(yīng)該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。 以微 型計(jì)算機(jī)作為控制器。 圖 基本模擬反饋控制回路 被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程。 PWM 波形 周期 的 倒數(shù)。例 如，一個(gè) PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是 200us，那么低電平的時(shí)間肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說(shuō)占空比就是 1： 5。 如圖 所示。 16 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N個(gè)相連的脈 沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 分別將 圖 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（ RL 電路）上，如圖 所示。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM 控制的基本原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 圖 Cuk變換器原理圖 工作原理三等效電路圖 : 圖 （ a） VT1 導(dǎo)通等效電路圖 圖 (b) VT1 截止等效電路圖 15 圖 （ c） 電流斷續(xù)等效電路圖 PWM 的工作原理 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 —— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 圖 極性反轉(zhuǎn)型 (Buck— Boost)變換器原理圖 工作原理三種等效電路圖 : 圖 （ a） VT1 導(dǎo)通等效電路圖 圖 (b)VT1 截止等效電路圖 圖 （ c） VT1關(guān)斷時(shí)電感電流為 0等效電路圖 14 Cuk 變換器 Cuk 變換器是 Buck— Boost 串聯(lián)變換器它是針對(duì) Buck— Boost 升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動(dòng)值大的缺點(diǎn)。 Boost 三種工作狀態(tài)等效電路 圖 （ a） VT1導(dǎo)通等效電路 圖 （ b） VT1 截止等效電路 圖 （ c） VT1 關(guān)斷電感電流為零 極性反轉(zhuǎn)升降壓（ Buck— Boost）變換器 13 極性反轉(zhuǎn)型 (Buck— Boost)變換器主電路所用元器件與 Buck、 Boost 變換器相同，由開(kāi)關(guān)管 VT儲(chǔ)能電感 L整流二極管 VD1 及濾波 電容 C1 等元器件組成。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電 壓的 DC— DC 變換器。 圖 降壓型（ Buck）變換器原理圖 圖 （ a） VT1導(dǎo)通等效電路圖 11 圖 (b) VT1關(guān)斷等效電路圖 圖 （ c） VT1關(guān)斷后電流為零等效電路圖 升壓型（ Boost）變換器 升壓型變換器電路如下圖 所示。 10 降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式；一種是電感電流處于斷續(xù) 的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界 連續(xù) 模式 。 降壓型（ Buck）變換器 降壓型（ Buck）變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC 濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。在隔離式變換器中，應(yīng)用雙極型晶體管作為開(kāi)關(guān)且開(kāi)關(guān)管自身起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激 PWM 變換器。在非隔離式變換器中。 9 圖 電流源外特性圖（ 1表示理想電流源， 2表示實(shí)際電流源） 開(kāi)關(guān)電源幾種電路類型 直流電源變換器按其輸入與輸出是否進(jìn)行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。 圖 （左為理想電流源，右圖為實(shí)際電流源） 1O L OO S S S OOOLLR R RV I I I RRRRR? ? ?? ? 而在電路中： ( 0RRL ?? 電源外特性曲線呈陡降式接近恒流源 。當(dāng)電源為空載 ，即 負(fù)載電阻 ??R 時(shí)，輸出功率 00?P 。而在恒流源的特性圖 中，即使理想的恒流源是內(nèi)阻為無(wú)窮大、輸出電流始終保持在規(guī)定值 ，且與端電壓的大小和極性無(wú)關(guān)的電流源。 有校準(zhǔn)功能，可以用儀器校準(zhǔn) 輸出 電流 ； 5. 能夠 聯(lián)網(wǎng)控制，加入串口通信功能。 2. 設(shè)計(jì)基于 ATmega 16 單片機(jī)的采樣反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的智能化管理及檢測(cè)，數(shù)控單元不但能方便的實(shí)現(xiàn)恒流值的設(shè)置，而且能夠?qū)崿F(xiàn)恒流值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步進(jìn)值可以自由選擇，最小步距 50mA； 3. 完善的保護(hù)功能， 包括 過(guò)流保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)， 可以吸收 負(fù)載向電 源釋放高壓浪涌， 具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以 在 20℃ ～ 40℃ 環(huán)境 下的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期工作 ； 4. 友好的人機(jī)交互界面。 本文所作的主要工作 本文采用恒流控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作基 于 AVR 單片機(jī)控制的恒流系統(tǒng)，主要完成以下幾個(gè)