基于PWM控制技術的高精度電流環設計方法研究

鄭芳菲

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶　400039）

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基于PWM控制技術的高精度電流環設計方法研究

鄭芳菲

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

摘要：結合煤礦安全監控系統中傳感器技術現狀，提出一種基于PWM控制技術的電流環的設計方法，詳細介紹其設計原理，從理論上分析電流信號高精度輸出的修正方法。

關鍵詞：電流環；PWM；修正

在煤礦安全系統中，因頻率量信號的輸出和采集的軟、硬件成本低廉，頻率制式傳輸方式（如200～1 000Hz）被廣泛應用。煤礦井下電磁環境異常復雜，采煤機、輸送機等電氣設備在運行狀態下都會產生強烈的電磁干擾，而頻率型電壓調制信號抗干擾能力較差，容易造成安全監控系統信號中斷、冒大值等現象。4～20mA電流環數據傳輸方式具有抗干擾能力強、數據傳輸準確的特點，是工業控制領域數據傳輸的標準通信方式，在工業控制領域應用非常普遍［1］。

基于此，結合煤礦安全監控系統中傳感器技術現狀，提出了一種基于PWM數字控制技術的低成本電流環設計方法，并實現了電流環信號的高精度輸出。

1　4～20mA電流環

4～20mA信號制是國際電工委員會（IEC）制定的過程控制系統用模擬信號標準。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯，而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報警下限。這種信號制式傳輸的距離長，且不需考慮噪聲、線長、壓降和線路阻抗等的影響，從而使電路傳輸穩定性能大大提高。圖1為典型的電流環基本組成圖，其包括傳感器、發送器、接收器和電流源。傳感器用來測量某一物理參數（如瓦斯濃度、溫度、壓力等），并提供相應的輸出電壓。發送器將傳感器的輸出電壓成比例地轉換為4～20mA的直流電流。接收器接收4～20mA的電流并將其轉化為相應的電壓，以備處理［2］。

2　基于PWM控制技術的電流環設計

2.1基本原理

PWM（脈沖寬度調制）方式是目前大多數微控制器（MCU）基本配置，分辨率一般都在8位以上。應用固定周期、占空比可調制的PWM方波信號，采用模擬低通濾波器濾掉PWM輸出的高頻部分，保留直流分量，即可得到對應的D/A轉換輸出，低通濾波器的帶寬決定了D/A轉換器的帶寬的范圍。采用PWM方式實現D/A變換的硬件電路簡單，如圖1所示，通過簡單的R-C低通濾波電路即可精確將數字信號轉換為高精度的模擬電壓信號，且PWM的分辨率越高，模擬電壓信號越精確［3］。

電流環本質上是實現電壓-電流轉換的模擬量轉換電路，即V-I變換。結合PWM方式的D/A變換的硬件電路，即可實現數字方式控制輸出高精度電流環信號。

圖1 PWM實現D/A變換的基本原理

2.2PWM實現D/A轉換的理論分析

圖2所示的PWM信號可以用分段函數表示為：

其中：T是單片機中計數脈沖的基本周期，即單片機每隔T時間記一次數（計數器的值增加或者減少1）；N是PWM波一個周期的計數脈沖個數；n是PWM波一個周期中高電平的計數脈沖序號；VH和VL分別是PWM波中高低電平的電壓值；k為整個周期波序號；t為時間［4］。

圖2 PWM信號示意圖

為了對PWM信號的頻譜進行分析，以下提供了一個設計濾波器的理論基礎。傅里葉變換理論指出，任何一個周期為T的連續信號，都可以表達為頻率是基頻的整數倍的正、余弦諧波分量之和。把式（1）所表示的函數展開傅里葉級數，得到式（2）。

從式（2）可以看出，式中第一個方括弧為直流分量，第二項為第一次諧波分量，第三項為大于一次的高次諧波分量。式（2）中的直流分量與n從0到N，直流分量在VL～VL+VH變化，這正是電壓輸出的D/A轉換器所需要的。因此，如果能把式（2）中除直流分分量的諧波過濾掉，則可以得到從PWM波到電壓輸出D/A轉換器的轉換，即PWM波可以通過一個低通濾波器進行調解。式（2）中的第二項的幅度和相角與n有關，頻率為1/NT，該頻率是設計低通濾波器的依據。如果能把1次諧波很好地過濾掉，則高次諧波應基本不存在［5］。

根據上述分析可以得到如圖3所示的從PWM到D/A轉換器輸出信號處理方塊圖，根據該方塊圖可以有許多電路實現方法，在單片機的應用中還可以通過軟件的方法進行精確度調整和誤差的進一步校正。

圖3 從PWM到D/A轉換器

2.3電流環設計

電路圖如圖4所示。單片機輸出PWM波（這里建議用STC12C5A32S2單片機中的16位高速比較模塊來產生這樣比較容易產生16位的PWM波，比用定時器要容易精確度要高）驅動IRF530（其典型導通電阻為0.16Ω，而截止電阻卻非常大，這里必須選擇導通電阻小的NMOS管，否則導通的時候VGS不可忽略），與IRF530并聯的是基準電壓LM336-5V（實際中由于單片機的輸出電壓并不穩定，所以在用了基準電壓源LM336-5V來產生穩定的高電平5V），在IRF530截止的時候，PWM的高電平穩定的等于5V。OUT點的PWM波，經過R1、C1和R2、C2的兩級的阻容濾波，其截止頻率f0和一階阻容濾波的截止頻率是一樣的，即

在經過LM358組成的電壓跟隨放大器（這里必須要用LM385電壓跟隨一下，利用運算放大器的輸入電阻非常大，否則輸出電壓會有衰減，并且截止頻率就不是剛剛的計算方法）放大得到了直流分量。

3　電流環信號精度修正方法

PWM到D/A轉換器輸出的誤差來源受兩方面制約：決定D/A轉換器分辨率的PWM信號的基頻和沒有被低通濾波器濾除的紋波。

在D/A轉換器的應用中，分辨率是一個很重要的參數，分辨率計算直接與N和n的可能變化有關，計算公式如下：

其中，RBits是分辨率，nmin是指n的最小變化量（見表1）。

由表1可以看出，N越大，D/A轉換器的分辨率越高，但是NT也越大，PWM的周期也就越大，即PWM的基頻降低。但是，基頻降低，式（4）中的1次諧波周期也就越大，相當于1次諧波的頻率也越低，也就會有更多的諧波通過相同的帶寬的低通濾波器，需要截止頻率很低的低通濾波器，造成輸出的直流分量的紋波更大，導致D/A轉換器轉換的分辨率降低，D/A轉換器輸出滯后也將增加。所以，單純降低PWM信號的頻率也不能獲得較高的分辨率。一種解決方法就是使T減小，即較小單片機的計數脈沖寬度（這往往需要提高單片機的工作頻率），在不降低1次諧波頻率的前提下提高精度。實際上，T較小受到單片機時鐘和PWM后續電路開關特性的限制。如果在實際中需要微妙級的T，則后續電路需要選擇開關特性很好的器件，以減小PWM波形的失真。

通過以上分析可知，基于PWM輸出的D/A轉換器轉換輸出的誤差，取決于通過低通濾波器的高頻分量所產生的紋波和PWM信號的高電平穩定度兩方面。為獲得最佳的D/A轉換器轉換效果，在選取PWM信號的頻率時要適當的折衷，太小，分辨率高，但濾波器需要更低的截止頻率，同時限制了輸入PWM信號的變化頻率；太小，則分辨率下降。

圖4 實際電路設計

表1 PWM分辨率

4　結語

該文提出一種基于PWM控制技術的電流環的設計方法，并分析了信號輸出精度的修正方法。通過實際電路測試，該方法在降低了硬件成本的技術上，可以提供可靠、高精度的電流環信號。

參考文獻：

［1］孫繼平.煤礦安全生產監控及通信技術［J］.煤炭學報，2010（11）：1925-1930.

［2］湯朝明.礦用傳感器頻率信號傳輸研究［J］.工礦自動化，2013（8）：35-38.

［3］沈利榮，孫廣，宋楠.基于4～20mA電流環的井下供電與信號傳輸方案研究［J］.儀表技術與傳感器，2013（3）：96-98.

［4］王立華，韓敬東，邵玉芹，等.基于DSP的4～20mA電流環的設計［J］.工礦自動化，2008（2）：121-123.

［5］呂津，韓震宇，汪煉.一種對20mA電流環的改進方法［J］.中國測試技術，2003（2）：37.

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0134-03

收稿日期：2016-02-07

作者簡介：鄭芳菲（1982-），本科，研究方向：煤炭科研開發及管理。

Research on High Precision Current-loop Design Method Based on PWM

Zheng Fangfei
（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract:In combination with the status of sensor technology in coal mine safety monitoring system,a de?sign method of current loop based on PWM control technology was proposed.In this paper,the design prin?ciple was introduced in detail,and the correction method of the high precision output of the current signal was analyzed theoretically.

Keywords:current-loop；PWM；correction