【正文】 ..... 37 第四章 軟件程序設計 ............................................ 38 主程序模塊 .............................................. 38 閉環(huán)比較子程序模塊 ...................................... 38 電流設置子程序模塊 ...................................... 41 鍵盤中斷子程序模塊 ...................................... 42 顯示中斷子程序模塊 ...................................... 42 PWM 調制子程序模塊 ....................................... 43 本章小結 ................................................ 43 總 結 .......................................................... 45 致 謝 .......................................................... 46 參考文獻 ........................................................ 47 附錄 1：數(shù)字是恒流源原理圖 ...................................... 49 1 第一章 緒 論 恒流源簡介 恒流源的定義 所謂恒流源也稱電流源或穩(wěn)流源 ,即對應 于一定的電壓變化所產生的電流變化趨于零 ,電流是一個恒定值 ,有很高的動態(tài)輸出電阻 ,具有這種特性的器件稱之為恒流源。理想的恒流源其輸出是絕對不變的，但實際的恒流源只能在一定范圍內保持輸出電流的穩(wěn)定性。本文所研究的恒流源即為直流恒流源。由于 LED 的生產廠家及 LED 規(guī)格不同，電流、電壓特性均有差異。 由 LED 的電壓、電流變化特性， 進而導致 對 LED 驅動的設計提出 了 嚴格要求。 這樣 的 LED 恒流源方式存在極大缺陷，首先是效率低，在降壓電阻上消耗大量電能，甚至有可能超過 LED 所消耗的電能，且無法提供大電流驅動， 因為電流越大，消耗在降壓電阻上的電能就越大， 因此 很多產品的 LED 不 可以 采用并聯(lián)方式， 而 采用串聯(lián)方式降低電流。采用阻、容降壓方式驅動 LED， LED 的亮度 不夠 穩(wěn)定， LED 的亮度會隨著電壓的變化而變化 。根據(jù) LED 電流、電壓變化特點，采用恒壓驅動 LED 是可行的，雖然常用的穩(wěn)壓電路，存在穩(wěn)壓精度不夠和穩(wěn)流能力較差的缺點。因此眾多廠家選用恒流方式的 LED 恒流源。校驗過程為，將待校的電流表與標準電流表串接于恒流源電路中，調節(jié)恒流源的輸出電流大小至被校表的滿度值和零度值，檢查各電流表指示是否正確。此外，我們日常生活中，各種根據(jù)輝光放電原理制成的電光源，如應用于城市照明中的氖燈，這種光源一旦被點燃，管內稀薄氣體迅速電離。為了穩(wěn)定放電電流，讓燈管盡快達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，采用恒流源供電是最好的解決辦法。因此，采用恒流源供電是較為合理的解決辦法。例如 :霍爾式壓力傳感器的電源就使用恒流源。 I 為通過半導體的電流 (mA) 。 KH 為霍爾元件靈敏度系數(shù) (mV/ mA在實際應用中 I 和 B 兩個量之一保持常數(shù)的話 ,則另一個作為輸入變量 ,引起輸出電壓 EH 與輸入量成比例。使用恒流源的原因不僅因為許多敏感器件是用半導體材料制成的，還因為這樣可以有效的避免連接傳感器的導線電阻和接觸電阻的影響。如超導磁源成像儀和 CT 斷層掃描儀中的磁場均要求很穩(wěn)定，以免產生嚴重的測量誤差，造成巨大的損失。如用恒流源供電即可有效克服上述缺點，達到預期效果。同理，核物理實驗裝置中的質譜儀、粒子加速器、頻譜儀等必須采用恒流源供電。 恒流電源的發(fā)展過程 恒流電源從誕生開始到現(xiàn)在發(fā)展是比較迅速的，同時具有廣泛的應用，依據(jù)核心器件的發(fā)展其發(fā)展大致可分為三個階段，分別為第一階段的電真空器件恒流源；第二階段的晶體管恒流源以及現(xiàn)在的集成電路恒流源。在 上世紀 60 年代以后采用晶體管 做調整元件的晶體管恒流源得到迅速發(fā)展，并在實際中獲得了廣泛的應用。 國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 我國的電源產業(yè)，始于上世紀 60 年代中期， 90 年代后，進入快速發(fā)展時期。研制生產出了一些技術難度較大、具有國際先 進水平的產品，而且還取得了一大批具有代表性的研究成果和產品。但是我國電源產業(yè)與一些發(fā)達國家的同類行業(yè)相比，仍然存在著很大的差距和不足：在產品的質 6 量、可靠性、開發(fā)投入、生產規(guī)模、工藝水平、檢測設備、智能化、人員專業(yè)素質、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 10～ 15 年。目前，全國的電源及其配件的生產銷售企業(yè)有 4000 家以上，產值有 300～ 400 億元，生產規(guī)模和產值巨大，但國內企業(yè) (著名的如北京大華、江蘇綠揚等 )銷售的數(shù)控直流恒流電源大多是代理歐美和日本的產品，國內廠家生產的直流恒流電源雖然也朝著向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或實現(xiàn)多組數(shù)值預置。 就行業(yè)總體形勢來講，恒流源作為穩(wěn)定電源的一個分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構成恒流源的核心器件已由早期的電真空結構的鎮(zhèn) 流管進入到半導體集成電路時代。傳統(tǒng)的恒流源的設計思路主要包括以下幾種： ； ； 。 進入 2l 世紀后，隨著信息技術的快速發(fā)展，數(shù)字恒流源已經成為恒流源由模擬恒流源向未來進步的一個方向，特別是成熟的計算機技術給予了數(shù)字恒流源更大的發(fā)展空間。因此，如何把數(shù)字技術和現(xiàn)代電力電子器件結合制作出能夠穩(wěn)定應用于工業(yè)現(xiàn)場、高精度的數(shù)控恒流源就將成為未來一段時間的新課題；同時，具有數(shù)字化技術和智能化設計的恒流源也必將成為恒流源的發(fā)展方向與必然趨勢。因此，如何為用電設備提供安全可靠、穩(wěn)定的電源成為擺在現(xiàn)實中需要解決的課題。在此背景下，研究恒流源有著重要的現(xiàn)實意義和理論意義，本課題將通過數(shù)控式直流調壓電路來設計直流恒流電源，使其達到結構簡單、成本低、效率高、數(shù)字化控制及顯示，輸出電流的質量高，系統(tǒng)的動態(tài)響應速度快的最終目標。采用模塊化概念，設計恒流的基礎電路，電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)由硬件模擬電路組成，主電路采用全控器件 IGBT，恒流控制精度高，深度電流負反饋確保輸出電流穩(wěn)定及輸出特性更硬?？梢栽?操作 上 更人性化，更簡單，盡量按照用戶的習慣來設計操作方式 。 8 第二章 理論分析及可行性方案論證 恒流電源工作特性分析 當輸入電壓、負載、環(huán)境溫度等外界條件在一定范圍內變化時，電源的輸出電流是不變的。實際的電流源是內阻 0R 和功率都是有限的電流源。理想恒流源的外特性是一條垂直于橫坐標電流軸的直線。 ) 實際 恒流源 中， 如果負載電阻太大，使電源輸出電流不能達到恒流值，那么恒流源的輸出電壓就會自動升到電源的最大輸出電壓，只有當負載電阻小到一定的程度，使電源輸出電流達到恒流值，電源才真正處于恒流工作狀態(tài)，隨著負載電阻值的逐步減小，輸出電壓也按 相應 下降，以保持輸出電流的恒定不變。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的需要。而這章主要是介紹降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉型變換器的電路結構、工作原理及相關參數(shù)的關系式。自激 式變換器主要是 RCC變換器和 Reyer 變換器，他激式變換器主要是介紹單端反激式、單端正激式、推挽、半橋、全橋變換電路結構、工作原理 。輸入電壓 Uin 是未經穩(wěn)壓直流電壓；晶體 VT1 為調整管，即開關管 UB 為矩形波是控制開關管的工作狀態(tài)；電感 L 與電容 C 組成濾波電路，而 VD1 為續(xù)流二極管。 降壓型變換器的原理圖及工作波形圖如下圖 所示 。主電路由串聯(lián)在回路中的儲能電感 L1，開關管 VT1 及整流二極管 VD濾波電容 C1。 12 圖 升壓型（ Boost）變換器原理圖 有兩種基本工作方式：電感電流連續(xù)模式和電感電流斷續(xù) 工作 模式。這種電路具有 Buck 變換器降壓與 Boost 變換器升壓的雙重作用。主要電路如下圖所示，它由開關管 VT儲能電容器 C輸入儲能電感 L輸出儲能電感 L續(xù)流二極管 VD1 及輸出濾波電容器 C2 等元器件組成，開關管 VT1 由 PWM 驅動電路控制的，二極管 VD1 將輸入回路和輸出回路分開，左半部分是輸入回路，右半部分是輸出回路。 PWM 控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是 PWM 型， PWM 控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。沖量指窄脈沖的面積。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。其輸出電流 i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖 (b)所示。脈沖越窄，各 i(t)響應 波形的差異也越小。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 圖 用 PWM波代替正弦半波 PWM 相關概念 17 就是輸出的 PWM 中，高電平保持的時間 與 該 PWM 的時鐘周期的時間之比 。 占空比 的最小值 。 開關電源的控制算法 在介紹開關電源的控制算法之前，我們需要了解控制系統(tǒng)的基本概念，過程控制就是對生產過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制。 控制規(guī)律用對應的模擬硬件來實現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件?？刂埔?guī)律的實現(xiàn)，是通過軟件來完成的。 18 圖 微機過程控制系統(tǒng)基本框圖 開環(huán)控制系統(tǒng) (openloop control system)是指被控對象的輸出 (被控制量 )對控制器 (controller)的輸出沒有影響。 閉環(huán)控制系統(tǒng) (closedloop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量 )會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。 在工程實際中， PID（比例、積分、微分）是應用最為廣泛的閉環(huán)控制規(guī)律。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。其控制器的輸 出與輸入誤差信號成比例關系。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的 19 輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤 差進一步減小，直到等于零。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值 ，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。 PID 調節(jié)器 (1) 模擬 PID 控制系統(tǒng)組成 圖 模擬 PID控制系統(tǒng)原理框圖 （ 2）模擬 PID 調節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù) PID 調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它將給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)的偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 3）微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的 動作速度，減小調節(jié)時間。 22 第三章 電源系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件總體結構 23 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的整機框圖如圖 31 所示，它主要由 單片機控制電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、 DC/DC 轉換電路、 D/A 轉換電路、采樣電路、緩沖放大電路、鍵盤控制和液晶顯示電路等九個模塊組成。它通過軟件的運行來控制整個儀器的工作，從而完成設定的功能操作。如果發(fā)生過熱現(xiàn)象， AVR 系統(tǒng)能驅動溫度保護電路工作。 DC/DC 轉換采用開關電源芯片 TPS5450，緩沖放大采用精密儀表運放 INA118 和 低噪聲 運放 TLC2202 組成 ， 顯示電路采用 了 LCD 器件 128*64 液晶顯示。 圖 系統(tǒng)框架圖 工作原理和流程分析 本系統(tǒng)整機工作原理 ：系統(tǒng)上電，首先 220