基于PLC的電機轉(zhuǎn)速PID控制系統(tǒng)設(shè)計

金程程

摘要：采用TL082集成運放和IRF640大功率場效應(yīng)管構(gòu)成恒流源主電路，以AT89C51單片機、4*4鍵盤、液晶顯示器和12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)，合理計算反饋電路的參數(shù)，實現(xiàn)高精度控制輸出電流并進行測量。試驗表明，電流在20mA～2000mA范圍內(nèi)可1mA步進或隨機預(yù)置，控制和測量誤差達到0.1%+3個字。

關(guān)鍵詞：恒流源;數(shù)字控制;場效應(yīng)管;A/D;D/A

中圖分類號：TN709 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0005-02

0 引言

在儀器儀表中常需要用到高精度數(shù)字控制恒流源，主要表現(xiàn)在輸出電流范圍大，步進電流分辨力高[1]。本文的目標(biāo)是以200～240V、50Hz交流電源為輸入，設(shè)計輸出電流20mA～2000mA，步進1mA，電壓≤10V的恒流源電路。為此，基于集成運放和調(diào)整管構(gòu)成的負(fù)反饋恒流源電路，合理計算電路參數(shù)，并設(shè)計由控制器、鍵盤、顯示器和數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的控制、測量方案，達到給定電流值即能數(shù)字化控制輸出需要的電流并進行測量的目的，同時滿足測量誤差的絕對值≤測量值的0.1%+3個字的要求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)組成如圖1所示，采用單片機作為控制器，接收用戶從鍵盤輸入的電流預(yù)置值，控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號Ui，作為恒流源電路的控制電壓，實現(xiàn)數(shù)控輸出恒定電流到負(fù)載。電流通過采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送回控制器，計算處理后由LCD顯示實際電流值。

1.1 控制電路設(shè)計

控制器選用AT89C52型號單片機，通過P0口驅(qū)動鍵盤，P3.5～P3.7和P2驅(qū)動LCD顯示器，P1口驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。其中LCD1602可模塊顯示漢字、數(shù)字、字母符號，4*4矩陣式鍵盤通過行、列掃描識別按鍵動作從而設(shè)置電流值，16個按鍵定義為0～9數(shù)字、+、-、確定、取消以及光標(biāo)左移、右移功能鍵，支持隨機輸入和步進調(diào)整電流給定值。單片機接收到電流給定值時經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓，控制恒流源電路輸出電流，對采樣電阻的電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，顯示電流實測值。

1.2 恒流源電路的組成原理

利用集成運放和調(diào)整管組成恒流源電路，如圖3所示。其中集成運放采用TL082，具有低功耗、共模和差分電源范圍寬、低輸入偏置電流等特點[2]。調(diào)整管采用型號為IRF640的N溝道增強型金屬氧化物場效應(yīng)管（MOSFET），開關(guān)速度快、導(dǎo)通阻抗小（不大于180m歐）及低熱阻、低成本、堅固耐用等優(yōu)點，常溫下輸出10V電壓時漏極電流16A，功耗50W以下，適應(yīng)于離線開關(guān)模式的電力供電，顯示器電源、馬達控制電路及通用開關(guān)應(yīng)用[3]。

MOSFET是單極型晶體管，屬于電壓控制電流型器件，漏極電壓不變時流過的漏極電流是柵、源極所加電壓的線性函數(shù)，且控制性能好。本設(shè)計中采用熱穩(wěn)定性好的康銅絲繞制成取樣電阻R6與MOSFET串聯(lián)，取其兩端電壓經(jīng)集成運放與輸入信號構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。TL082_B構(gòu)成電壓跟隨器反饋變動的負(fù)載電壓，TL082_A作為比較器產(chǎn)生脈沖控制調(diào)整管的通斷。依據(jù)理想運放虛短、虛斷原理，列寫TL082_A的同相端、反相端電流、電壓方程如式（1）、式（3），其中反饋電壓Uf表示為式（2）：

由式（4）可見，負(fù)載電流由輸入電壓決定，與負(fù)載的大小無關(guān)，即負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化時輸出電流保持不變，構(gòu)成恒流源電路。

1.3 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

系統(tǒng)需要輸出電流范圍為20mA～2000mA，考慮輸出上限時對應(yīng)的二進制數(shù)11111010000B以及1mA的步進值，選用12位的TLV5618作為D/A轉(zhuǎn)換器[4]，單片機通過3線串行總線驅(qū)動，可編程其輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，輸出電壓如式（5）所示：

（5）

其中Vref為輸入?yún)⒖茧妷海琩ata是由單片機輸出的0×0000～ 0×0fff之間的數(shù)字量，若采用2.56V參考電壓，輸出電壓可達5V，最小步進電流為0.5mA，最大輸出恒流電流可達2048mA，符合設(shè)計需要。

1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

采用12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器MAX187，三線串行接口，轉(zhuǎn)換速率快，功耗低[5]。MAX187內(nèi)部參考電壓Vref為4.095V，范圍為0～4095（0×000～0×0FFF），假設(shè)MAX187輸入電壓為為AD_in伏特，則輸出的數(shù)字量如式（6）所示：

× ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

可見，A/D的輸入電壓范圍為0～4.095V，分辨力為1mV，采用1Ω的采樣電阻可分辨1mA電流，符合需要。

1.5 系統(tǒng)供電電源設(shè)計

系統(tǒng)最高輸出電流為2000mA采用2.5V參考電壓即可，由于單片機、A/D、D/A的電壓等級為5V，集成運放需要±15V電源，因此采用三端集成穩(wěn)壓器78H05、78H15、79H15提供所需電壓，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。

2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

單片機的控制軟件流程設(shè)計如圖4所示，在系統(tǒng)初始化之后按順序?qū)崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、顯示、掃描按鍵、D/A轉(zhuǎn)換等任務(wù)。編程時需要注意協(xié)調(diào)好各個任務(wù)之間的關(guān)系，例如為了確保快速響應(yīng)按鍵，可通過定時器中斷方式驅(qū)動按鍵掃描任務(wù)，而將A/D、D/A轉(zhuǎn)換和顯示等任務(wù)放在主循環(huán)中。同時也要注意界面友好設(shè)計，例如在給定值為20～2000mA之間時顯示“SET OK”，超過范圍時顯示“ERROR”。

3 測試實驗

實驗采用精度為0.1%的數(shù)字式萬用表進行測試，按鍵步進1mA或在20～2000mA范圍內(nèi)隨機設(shè)置給定值，記錄實測電流和顯示值見表1。分析數(shù)據(jù)可見，顯示誤差和控制輸出誤差均小于5mA，符合0.1%+3個字的目標(biāo)。

4 結(jié)語

用AT89C51單片機控制12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，采用MOSFET、高精度采樣電阻配合集成運放構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，采用2.56V基準(zhǔn)電壓可實現(xiàn)輸出20mA～2000mA電流，步進分辨力可達到0.5mA，滿足1mA步進要求，控制輸出和測量精度不大于5mA滿足0.1%+3個字的要求。

參考文獻

[1] 曲學(xué)基，王增福，曲敬鎧.穩(wěn)定電源實用電路選編[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] TI公司.TL082手冊[Z].www.ti.com.

[3] IR公司.IRF640手冊[Z].www.irf.com.

[4] TI公司.TLV5618手冊[Z].www.ti.com.

[5] 美信公司.MAX187手冊[Z].www.maximintegrated.com.

Abstract：The integrated operational amplifier TL082 and high power FET IRF640 are used to form the main circuit of constant current source. Microcontroller AT89C51， 4 * 4 keyboard， LCD， 12 bit A/D and D/A converter are used to form the digital control system. By reasonably designing the parameters of the feedback circuit， the output current is controlled and measured the output current with high precision. The experiment shows that the current can be changed by 1mA step or preset random in the range of 20mA-2000mA， Output and measuring error reaches 0.1% plus 3 words.

Key words：constant current source （CCS）;numerical control（NC）;MOSFET;A/D;D/A