基于TMS570的數控高精度電流源設計與實現

楊啟帆，曹 琳，雷文龍

（中國航空工業集團公司 西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

電流源作為一種常用的電路單元，廣泛地應用于電機控制、電磁閥控制以及傳感器激勵等設計。本文介紹的數控高精度電流源用于某民用飛機空氣管理系統綜合控制器中控制力矩電機，該力矩電機主要用于氣源系統左、右發動機閥門控制以及機翼防冰系統中機翼防冰活門的控制，因此對控制精度、響應速度、電流穩定性以及過流保護都有很高的要求。同時由于力矩電機可能隨著飛機的升級而變化，因此需要盡可能地消除負載變化帶來的影響。本文提供的恒流源設計以仿真為基礎，通過實際試驗測試很好滿足了該型控制器的需求。

1 硬件電路設計

本文介紹的電流源以控制器TMS5703137為核心，通過SPI總線控制外部DAC芯片產生可變電壓參考，驅動后端改進型Howland電流源電路，通過反饋電路硬件設計配合軟件中斷控制實時保護電流源，電路框圖如圖1所示[1,2]。

圖1 電流源設計框圖

該控制器恒流源的具體要求如下：電流范圍為0～300 mA，在20～300 mA范圍內，電流精度＜±5 mA；電流分辨率≤0.3 mA；過流保護范圍為（860±140）mA。一旦發生短路立即觸發短路保護（非熔斷形式的短路保護）。短路后啟動條件為故障清除、控制器冷啟動以及人工啟動。

1.1 DAC輸出電路

為了保證電流分辨率≤0.3 mA，選用ADI公司的AD5443芯片。該芯片為12 bit電流輸出模數轉換器，供電范圍為2.5～5.5 V，基準源電壓范圍為±10 V，輸出電壓建立時間＜160 ns，接口延遲時間＜75 ns，精度為±0.5 LSB[3]。在單極性模式下，該DAC輸出電壓計算為：

式中，D為載入DAC的數字（范圍為0～4 095），Vref為 5 V。

由式（1）可知，輸出電壓極性與直流基準電壓Vref極性相反[4]。為了獲得正電壓輸出，可以通過反向放大器的輸出反轉電壓，但是由于反向放大器配置的電容和電阻存在誤差，因此可以選用向DAC輸入施加負基準電壓的方式。為了生成負電壓基準，使用運算放大器對基準電壓進行電平轉換，使基準電壓源Vout引腳虛擬接地，且基準源的GND引腳為-5 V。DAC輸出框圖如圖2所示。

圖2 DAC輸出框圖

該DAC為12 bit高帶寬數模轉換器，器件精度為±0.5 LSB。

1.2 改進型Howland電流源電路

傳統Howland電路由運放和4個匹配電阻組成，受限于運放輸出能力的限制，無法提供大電流，同時匹配電阻的比例直接影響電流源的精度，匹配反饋電阻阻值過大會影響建立速度[5-7]。此外，在部分應用中，由于無法確定具體負載大小，負載的變化也將影響電流源的輸出精度和穩定性。

改進型Howland電路使用達林頓電路擴展運放的輸出能力，提升電流源輸出電流大小，解決運放輸出能力的限制。當外部電阻匹配情況下，可以忽略負載對電流源的影響，具體電路如圖3所示。

圖3 改進型Howland電流源框圖

輸出電流為：

當電阻完全匹配，RG1=RG2=RG，RF1=RF2=RF且R1=R2=R時，輸出電流為：

由式（3）所示，輸出電流不隨負載而變化，同時該控制器恒流源輸出電流最大為1 A，考慮后端監控電流電阻功率要求，選擇RG=100 kΩ，RF=100 kΩ，R=0.5 Ω。此時輸出電流范圍為0～1 A+0.05 mA，為保證輸出電流的準確性，需要在軟件上校正的誤差。

當Vout=1.5 V時，此時輸出的電流為300 mA，當電阻選用公差為0.5%時，Iout的最大值為：

Iout的最小值為：

電流分辨率為：

1.3 電流監測保護電路

為實時監控電流源輸出電流值，保證輸出過流情況下及時關閉輸出，有效保護左、右發動機閥門以及防冰活門。電流監測保護電路通過軟件和硬件獨立控制，將電流回路的電流經過分流電阻Rsense轉換成相應的電壓信號，再通過運放將電壓信號進行適當比例的調整，分別送入TMS570內部集成的模數轉換器和遲滯功能比較器。比較器的結果送入到TMS570的外部中斷管腳，從而完成軟件和硬件的控制，具體電路如圖4所示[8,9]。

回采的Vabc信號通過軟件比較可以禁止DAC輸出，同時當Vabc大于Vref時，輸出的使能信號同TMS570輸出的使能信號做與邏輯后通過硬件直接關斷DAC輸出。

2 測試驗證

為了驗證電流源的輸出精度，將10 Ω和30 Ω電阻負載接入到輸出端，在輸出0～1 A情況下通過高精度萬用表測得對應的輸出電壓值，并通過TMS570內置模數轉換器計算出回采電壓值[10]。測試數據如表1所示。

測試結果表明，該電流源通過上位機軟件可以實時控制，并且按照設定值正常輸出穩定的電流源。通過上表可知，在20～300 mA范圍內時，電流精度＜±5 mA，同時在改變負載電阻的情況下，該電路依舊可以穩定輸出相對應的電流值，滿足設計需求。

3 結 論

本文以實際工程應用為基礎，重點討論了改進型Howland電流源電路。基于TMS570控制的電流源從根本上解決了輸出負載對電流源的影響，提高了電流源的穩定性。通過軟硬件反饋電路實時監控電流源輸出，極大地提高了電流源的安全性。測試證明，精度和分辨率等參數都滿足該控制器電流源需求，具有較為廣闊的市場前景和使用價值。