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

4 軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)控恒流源閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為保持負(fù)載電流恒定，并且負(fù)載電流隨設(shè)定值變化時(shí)沒有超調(diào)，同時(shí)又希望系統(tǒng)有較好的抗擾動(dòng)性能，本設(shè)計(jì)采用PID控制器來改善系統(tǒng)的性能。具體控制過程為：ATmega128經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器讀取實(shí)際輸出電流I，然后和設(shè)定的電流IS相比較，得出差值Ek=IS-I，主控制器根據(jù)Ek的正負(fù)大小，調(diào)節(jié)PID控制器，計(jì)算出本次電流調(diào)節(jié)的增量△Ik，然后根據(jù)前一次D／A芯片輸出的電流Iq-1，計(jì)算本次的輸出電流。PID控制器的參數(shù)由自行設(shè)計(jì)的混合最優(yōu)算法確定。

4.1 混合最優(yōu)算法設(shè)計(jì)

鑒于遺傳算法收斂慢，易早熟，且對(duì)參數(shù)依賴性大，而直接搜索法在局部有很好的搜索能力。本設(shè)計(jì)綜合利用兩種算法的優(yōu)良性能，克服各自的缺點(diǎn)，先用遺傳算法在給定的區(qū)域上作“全局粗略”搜索，然后用直接搜索法對(duì)其中部分較優(yōu)個(gè)體在這些個(gè)體所在極小區(qū)域作“局部精絀”搜索，找出它的極小值，反復(fù)進(jìn)行，可以比較迅速地找出PID算法參數(shù)的全局最優(yōu)解。

控制器ATmega128主要用來實(shí)現(xiàn)遺傳算法參數(shù)自整定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)一些專家經(jīng)驗(yàn)，用來初步確定整定目標(biāo)域，同時(shí)也存儲(chǔ)遺傳算法的每代樣本數(shù)據(jù)及控制參數(shù)。

嚴(yán)格地說，遺傳算法的迭代何時(shí)停止，在理論上尚無定論。在許多應(yīng)用實(shí)例中，若發(fā)現(xiàn)群體中個(gè)體的進(jìn)化已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，則迭代終止。對(duì)于PID參數(shù)自整定，調(diào)節(jié)過程進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，則終止迭代算法。所以把迭代次數(shù)等于最大迭代數(shù)目M或者精度調(diào)節(jié)變化量小于某個(gè)預(yù)設(shè)值作為算法終止的條件，

混合最優(yōu)算法流程圖如圖4所示。
4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

基于模塊化思想，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分由C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫而成，發(fā)揮了C語(yǔ)言高效運(yùn)算和快速開發(fā)以及匯編語(yǔ)言的靈活的特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件主要完成輸出設(shè)定、電流調(diào)整等功能。包括主程序、A／D采樣子程序、D／A輸出電流給定值及按鍵控制、PID算法子程序、混合最優(yōu)算法子程序、LCD顯示等其他子程序。

主程序流程圖如圖5所示。


5 系統(tǒng)功能測(cè)試


(1)系統(tǒng)輸出電流范圍為10mA～4000mA；

(2)具有3種步長(zhǎng)可選的電流步進(jìn)功能，可通過“+”、“-”按鍵方便地進(jìn)行正負(fù)步進(jìn)調(diào)整；

(3)可交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值，實(shí)際測(cè)量輸出電流誤差的絕對(duì)值≤測(cè)量值的0.1％+1mA；

(4)改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，輸出電流的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1％+1mA；

(5)紋波≤0.15Ma

6 結(jié)論

本數(shù)控直流電流源系統(tǒng)以Atmega128為主控制器，采用軟硬件雙閉環(huán)反饋方法，使電源的穩(wěn)定性和輸出精度得到保證，并有普通穩(wěn)壓源實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)流輸出。通過按鍵來設(shè)置電流源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)級(jí)可選。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件電路參數(shù)合理，線路簡(jiǎn)單，發(fā)揮軟件編程靈活的特點(diǎn)，通過多次調(diào)試，不斷提高系統(tǒng)的精度和電流的穩(wěn)定性，以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

編輯：博子