【導(dǎo)讀】我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于AT89C51的恒流源控制系統(tǒng)，電流輸出0?100A，電流精度≤2%，電壓輸出15V，能實(shí)現(xiàn)快速、高精度、靈活、多功能的控制要求，在斷路器可靠性試驗(yàn)中提供了穩(wěn)定、精確的試驗(yàn)電源。
在斷路器可靠性試驗(yàn)設(shè)備中，試驗(yàn)電源的穩(wěn)定、精確是保證測(cè)試可靠的基礎(chǔ)。否則，無(wú)論是在斷路器出廠試驗(yàn)還是型式試驗(yàn)中，都會(huì)因?yàn)闇y(cè)試電源的波動(dòng)使校驗(yàn)后的產(chǎn)品存在著合格品被判為不合格，而不合格品被判為合格的可能。傳統(tǒng)恒流源制作是利用二極管、三極管、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數(shù)穩(wěn)流器、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)流源等，但往往存在著輸出電流范圍小、穩(wěn)流精度不高、效率較低、可靠性較差、輸出紋波大等缺點(diǎn)。
主電路的組成
主電路是由電壓電流調(diào)節(jié)電路，升流變壓器，電流檢測(cè)反饋電路，輸入控制和顯示等幾部分電路構(gòu)成的，以上各個(gè)模塊都是由AT89C51來(lái)控制的，其總體構(gòu)架如圖1所示。
圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
電壓電流調(diào)節(jié)電路
電壓調(diào)節(jié)模塊主要由變壓器和DS1267數(shù)字電位器構(gòu)成，單個(gè)DS1267可調(diào)精度最大為16位，可知單次最小變化量為1/512，對(duì)于220V電壓來(lái)說(shuō)基本可認(rèn)為是線(xiàn)性關(guān)系，符合恒流源的電壓調(diào)節(jié)精度。電流調(diào)節(jié)模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302、2SC3281組成的。其中，2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結(jié)構(gòu)，為了增加輸出電流，采用了兩路相同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電路，其電路如圖2所示。
圖2：推挽功率放大電路
圖2中，當(dāng)輸入電壓信號(hào)時(shí)，由于IN4001兩個(gè)二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小，且R2的阻值較小，可以認(rèn)為2SA1302管基極電位的變化與2SC3281管基極電位的變化近似相等，兩個(gè)基極的電位隨輸入電壓uin產(chǎn)生相同的變化。當(dāng)處于輸入信號(hào)的正半周，且uin逐漸增大時(shí)，2SA1302管基極電流隨之增大，發(fā)射極電流也必然增大，負(fù)載電阻(即升流變壓器)RL上得到正方向的電流；當(dāng)uin減小到一定數(shù)值時(shí)，2SC3281管截止。因此輸入信號(hào)的正半周主要是2SA1302管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載。同樣道理，負(fù)半周期主要是2SC3281管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
升流變壓器
本試驗(yàn)要求產(chǎn)生0～100A的大電流，考慮到本電流源用于斷路器在線(xiàn)檢測(cè)，斷路器觸點(diǎn)接觸電阻是15mΩ，這樣在負(fù)載上消耗的功率應(yīng)該為P=I2R=1002×0.015=150W。負(fù)載消耗功率150W，考慮變壓器效率及功率裕度，我們選用升流變壓器的額定容量為500VA。
鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿(mǎn)足下面經(jīng)驗(yàn)公式：ln(S)=0.498×ln(P)+0.22。帶入功率P=500VA，可算出鐵芯截面積S=53.144cm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取S=54cm2，選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm，疊厚尺寸b=9cm。
根據(jù)鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B，初級(jí)線(xiàn)圈的每伏圈數(shù)N可由下式確定：ln(N)=-0.494×ln(P)－0.317×ln(B)＋6.439。采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的硅鋼片，鐵芯B值取11000高斯，計(jì)算得到每伏匝數(shù)N=0.831。初級(jí)電壓取220V，初級(jí)匝數(shù)N1=220×0.831=183；次級(jí)電壓取7V，次級(jí)匝數(shù)N2=7×0.831=6。
初、次級(jí)匝數(shù)以及次級(jí)最大電流100A，次級(jí)電流：I1=I2×N2/N1=3.4A。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每安培電流分配0.3mm2導(dǎo)線(xiàn)截面積。這樣初級(jí)導(dǎo)線(xiàn)截面積為1.02mm2，初級(jí)導(dǎo)線(xiàn)可選用135mm2扁銅線(xiàn)。次級(jí)導(dǎo)線(xiàn)截面積為30mm2，次級(jí)導(dǎo)線(xiàn)可選用240mm2扁銅板。
電流檢測(cè)反饋電路控制顯示模塊
電流檢測(cè)反饋模塊由電流互感器、精密絕對(duì)值電路、有源低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。根據(jù)輸出電流，我們選擇DHKYZ-500型號(hào)電流互感器作為電流采樣傳感器，該傳感器滿(mǎn)量程電流為500A，滿(mǎn)量程次極輸出電流為100mA，為了滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程(0～5V)的要求。A/D轉(zhuǎn)換需要直流信號(hào)，因此需對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，本設(shè)計(jì)所用的精密整流電路如圖3所示，該電路主要由兩個(gè)雙運(yùn)算放大器TL062和相關(guān)元器件組成。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應(yīng)輸出的電流。
圖3：精密整流電路
如圖3所示，當(dāng)ui>0時(shí)，Dl導(dǎo)通，D2反向阻斷，可以算出u11=-ui/2，u12=-u11=ui/2>0；當(dāng)ui<0時(shí)，Dl反向阻斷，D2導(dǎo)通，對(duì)于第一個(gè)運(yùn)算放大器TL062，可得u11=-ui/3，從而可以算得u12=-ui/2>0，u21=-2u12，最后得uo=-u21=2u12，所以輸出全波整流波形。
由于精密整流電路輸出的信號(hào)是脈動(dòng)直流信號(hào)，不能直接作為AD采樣的輸入信號(hào)，因此還必須先經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾除交流分量，取出直流分量，再給A/D轉(zhuǎn)換器輸入。
控制顯示模塊
目前工業(yè)控制中的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路普遍采用一種定時(shí)或中斷控制方式，這種方式要占據(jù)CPU一部分時(shí)間，而且動(dòng)態(tài)顯示往往具有亮度不夠，閃爍等特點(diǎn)，而靜態(tài)顯示又有硬件電路復(fù)雜等缺陷。本系統(tǒng)采用OD-DM12864液晶模塊，其可直接與微機(jī)串行口相連，完全解決了LED顯示的諸多不足。用戶(hù)只需對(duì)位和控制寄存器編程，就可選擇譯碼方式、顯示亮度、關(guān)閉等功能。
控制算法及程序設(shè)計(jì)思路
控制算法選擇
恒流源元件檢測(cè)是通過(guò)一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變非線(xiàn)性系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行的，影響電流檢測(cè)的精度因素很多，并有很大的隨機(jī)性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，即使通過(guò)一些手段簡(jiǎn)化系統(tǒng)后建立了對(duì)象的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，控制效果也不是很好。另外，由于電流隨元件參數(shù)的變化而變化，要求控制算法的實(shí)時(shí)性高，控制過(guò)程較為復(fù)雜。因此，權(quán)衡各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們用PID實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
程序設(shè)計(jì)思路
根據(jù)系統(tǒng)需要在此采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，按照硬件功能模塊將程序分解成模塊，然后定義各個(gè)模塊的功能和對(duì)接口定義。主程序流程圖如圖4所示。
圖4：主程序流程圖
實(shí)驗(yàn)調(diào)試
本實(shí)驗(yàn)輸入交流220V，輸出端為直流15V左右的直流電壓。測(cè)量用電流互感器的精度為0.5級(jí)和鉗表精度1.0%rdg±10dgt，實(shí)驗(yàn)記錄電流測(cè)試值，如表1所示。
從表1可以看出，設(shè)置輸入值與電流互感器檢測(cè)到的值存在一定偏差，但能控制在1%左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。鉗表值有時(shí)偏差較大，也是誤差范圍之內(nèi)。因此結(jié)果是符合實(shí)際測(cè)量精度要求的。
