数控直流电源设计

数控直流电源设计

系统采用单片机技术与开关电源技术相结合，由升压电路、电压与电流采样电路和信号放大电路构成数字化直流电源。实现对输出电压与电流的设置，同时通过AD采样控制校正电压，从而有效的提高该电源电压及电流的输出精度。

标签：数控显示；恒压；恒流

Abstract：The digital DC power supply is composed of boost circuit，voltage and current sampling circuit and signal amplifying circuit，to achieve the output voltage and current settings and correct voltage through AD sampling control，so as to effectively improve the power supply voltage and current output accuracy.

Keywords：numerical control display；constant voltage；constant current

1 概述

直流电源是提供稳定直流电压电流的电源装置。当外界电网电源产生波動或电网阻抗特性发生变化时，该电源仍能使输出电压/电流保持恒定的值[1]。采用数字控制方式可以引入一些智能控制算法，使电源的性能更好，自动化程度更高[2]。通过数字控制方式可以在线修改控制算法，而不必改硬件线路，使系统升级方便；也易于组成高可靠性的多模块开关电源并联运行系统，实现自动分流和按比例分流[3]。

2 系统结构

系统通过单片机产生PWM信号，由于单片机产生的PWM信号无法直接驱动MOS管，故需要通过UCC3803芯片（UCC3803芯片是低功率BiCMOS电流模式PWM芯片）驱动MOS管，完成直流升压斩波的原理设计，在直流升压的同时，通过电压电流采样技术取得直流电源的电流值与电压值，使用单片机STM8进行数据采集与显示。整个系统硬件分为5个部分，分别为：直流电源滤波部分、PWM信号产生部分、斩波升压部分、电流电压采集部分和STM8显控部分；软件主要为STM8单片机的控制部分[4-5]。如图1所示。

首先通过LC滤波电路对直流电源进行滤波处理，其次，电源信号通过斩波升压得到所需要的升压后电压值；其中PWM信号由单片机STM8S产生，芯片UCC3803对PWM信号的占空比进行反馈比较，驱动MOS管；电压与电流的显示是通过电压采集与电流采集电路获取，电压与电流值本身为较为微弱的模拟信号，通过使用TLC2272型号芯片的运算放大器对其进行放大后再通过单片机的ADC模拟接口去采集；显示部分使用单片机的IO口去驱动74HC595D芯片，从而完成显控部分的设计。

3 软件设计

当系统启动时，系统首先初始化，然后读取存储的数据，显示设置界面，最后等待键盘输入。当按“SET”键后，相应的数据位闪烁，输入数据位的电流后，下一个数据位闪烁，以此进行类推。输入所需的预先设置电流后，按“OK”键确认设置电流，并确定输入的预先设置电流是否超过范围。如果没有超过范围的话，从键盘接收现在的输入值，计算PWM波的占空比，从单片机PA3提取了PWM 波。输出电流的采样电路，A/D转换后得到实际测量电流值c（k），比较预先设置电流和实际测量电流r（k），得到这次偏差e（k）。当|e（k）|<ε（ε为死区偏差）时，不调节，通过LED数字管显示电流值[6]。见式（1）所示：

4 调试与测试

测试环境：常温、常压、干燥环境。

测试所需仪器：OWEN-EDS072E数字示波器；万用表；可调直流电源箱。

测试方法：（1）正确连接输入、输出，保证输入电压在要求的范围内，严禁反接。输入电压须高于最低输入电压。（2）设定所需的电压电流值。（3）设定完成后按下“OK”按键就可以输出了。（4）输出状态下，在显示电压值时按下“+”按键可以增大输出电压，按下“-”按键可以减小输出电压，输出电流值时同样如此。短按精确设定，长按快速设定。（5）输出状态下，按下“SET”按键可以关闭输出。

测试内容：使用可调直流电源箱，输入端依次接入不同值的直流电，经测试板内部直流滤波电路，直流斩波升压电路，电流电压采集电路及数码显示电路后检验输出是否与所设置的设定值一致。

测试连接图如图3。

纹波情况如图4。

按照需要输出的电压进行设置同时使用万用表监控输出电压值是否正确，测试内容如下表1。

常规电流输出测试：按照需要输出的电流进行设置同时使用万用表监控输出电流值是否正确，测试内容如下表2。

5 结束语

通过STM8S103单片机与开关电源相结合构成数字控制高性能电源，从低纹波、高精度、高效率和增大输出功率等方面改善开关电源的性能。经测试表明：该电源实现了输出电压调节范围+8～+60V，步进电压0.1V，纹波小于0.9mVp-p，为科研和工程应用提供了一个优质电压源。与传统的数控电压源比较，可以输出负电压，步进电压更小，输出电压精度更高，纹波更小，负载调整率和电压调整率更低，运行速度快，抗干扰能力强，外围电路更简单。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].机械工业出版社，2014.

[2]高晓红，段彦丰.数控直流稳压电源的设计与实现[J].陇东学院学报，2018（1）：140-142.

[3]陈炯，凌红星，姚冰峰.恒流恒压直流高压电源系统的研制[J].上海电力学院学报，2013，29（5）：440-442.

[4]詹新生，张江伟.基于AT89C51的数控直流电压源的设计[J].现代电子技术，2008，31（19）：107-109.

[5]张泽礼，翟拥军.数控数显直流电压源的设计[J].滨州职业学院学报，2009，6（2）：31-33，75.

[6]吴谨绎，张永忠，张凌涛.一种新型低纹波高精度数控直流电流源[J].中南林业科技大学学报，2015，27（3）：159-162.