基于PLC的电机转速PID控制系统设计

金程程

摘要：采用TL082集成运放和IRF640大功率场效应管构成恒流源主电路，以AT89C51单片机、4*4键盘、液晶显示器和12位A/D、D/A转换器构成数字控制系统，合理计算反馈电路的参数，实现高精度控制输出电流并进行测量。试验表明，电流在20mA～2000mA范围内可1mA步进或随机预置，控制和测量误差达到0.1%+3个字。

关键词：恒流源;数字控制;场效应管;A/D;D/A

中图分类号：TN709 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0005-02

0 引言

在仪器仪表中常需要用到高精度数字控制恒流源，主要表现在输出电流范围大，步进电流分辨力高[1]。本文的目标是以200～240V、50Hz交流电源为输入，设计输出电流20mA～2000mA，步进1mA，电压≤10V的恒流源电路。为此，基于集成运放和调整管构成的负反馈恒流源电路，合理计算电路参数，并设计由控制器、键盘、显示器和数模、模数转换器构成的控制、测量方案，达到给定电流值即能数字化控制输出需要的电流并进行测量的目的，同时满足测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字的要求。

1 系统方案设计

系统组成如图1所示，采用单片机作为控制器，接收用户从键盘输入的电流预置值，控制D/A转换器输出电压信号Ui，作为恒流源电路的控制电压，实现数控输出恒定电流到负载。电流通过采样电阻转化为电压，经A/D转换送回控制器，计算处理后由LCD显示实际电流值。

1.1 控制电路设计

控制器选用AT89C52型号单片机，通过P0口驱动键盘，P3.5～P3.7和P2驱动LCD显示器，P1口驱动A/D转换和D/A转换电路，如图2所示。其中LCD1602可模块显示汉字、数字、字母符号，4*4矩阵式键盘通过行、列扫描识别按键动作从而设置电流值，16个按键定义为0～9数字、+、-、确定、取消以及光标左移、右移功能键，支持随机输入和步进调整电流给定值。单片机接收到电流给定值时经D/A转换器输出控制电压，控制恒流源电路输出电流，对采样电阻的电压进行A/D转换，显示电流实测值。

1.2 恒流源电路的组成原理

利用集成运放和调整管组成恒流源电路，如图3所示。其中集成运放采用TL082，具有低功耗、共模和差分电源范围宽、低输入偏置电流等特点[2]。调整管采用型号为IRF640的N沟道增强型金属氧化物场效应管（MOSFET），开关速度快、导通阻抗小（不大于180m欧）及低热阻、低成本、坚固耐用等优点，常温下输出10V电压时漏极电流16A，功耗50W以下，适应于离线开关模式的电力供电，显示器电源、马达控制电路及通用开关应用[3]。

MOSFET是單极型晶体管，属于电压控制电流型器件，漏极电压不变时流过的漏极电流是栅、源极所加电压的线性函数，且控制性能好。本设计中采用热稳定性好的康铜丝绕制成取样电阻R6与MOSFET串联，取其两端电压经集成运放与输入信号构成电压并联负反馈电路。TL082_B构成电压跟随器反馈变动的负载电压，TL082_A作为比较器产生脉冲控制调整管的通断。依据理想运放虚短、虚断原理，列写TL082_A的同相端、反相端电流、电压方程如式（1）、式（3），其中反馈电压Uf表示为式（2）：

由式（4）可见，负载电流由输入电压决定，与负载的大小无关，即负载电阻在一定范围内变化时输出电流保持不变，构成恒流源电路。

1.3 D/A转换电路设计

系统需要输出电流范围为20mA～2000mA，考虑输出上限时对应的二进制数11111010000B以及1mA的步进值，选用12位的TLV5618作为D/A转换器[4]，单片机通过3线串行总线驱动，可编程其输出电压范围为基准电压的两倍，输出电压如式（5）所示：

（5）

其中Vref为输入参考电压，data是由单片机输出的0×0000～ 0×0fff之间的数字量，若采用2.56V参考电压，输出电压可达5V，最小步进电流为0.5mA，最大输出恒流电流可达2048mA，符合设计需要。

1.4 A/D转换电路设计

采用12位逐次逼近型A/D转换器MAX187，三线串行接口，转换速率快，功耗低[5]。MAX187内部参考电压Vref为4.095V，范围为0～4095（0×000～0×0FFF），假设MAX187输入电压为为AD_in伏特，则输出的数字量如式（6）所示：

×                         （6）

可见，A/D的输入电压范围为0～4.095V，分辨力为1mV，采用1Ω的采样电阻可分辨1mA电流，符合需要。

1.5 系统供电电源设计

系统最高输出电流为2000mA采用2.5V参考电压即可，由于单片机、A/D、D/A的电压等级为5V，集成运放需要±15V电源，因此采用三端集成稳压器78H05、78H15、79H15提供所需电压，确保系统稳定可靠工作。

2 系统控制软件设计

单片机的控制软件流程设计如图4所示，在系统初始化之后按顺序实现A/D转换、显示、扫描按键、D/A转换等任务。编程时需要注意协调好各个任务之间的关系，例如为了确保快速响应按键，可通过定时器中断方式驱动按键扫描任务，而将A/D、D/A转换和显示等任务放在主循环中。同时也要注意界面友好设计，例如在给定值为20～2000mA之间时显示“SET OK”，超过范围时显示“ERROR”。

3 测试实验

实验采用精度为0.1%的数字式万用表进行测试，按键步进1mA或在20～2000mA范围内随机设置给定值，记录实测电流和显示值见表1。分析数据可见，显示误差和控制输出误差均小于5mA，符合0.1%+3个字的目标。

4 結语

用AT89C51单片机控制12位A/D、D/A转换器，采用MOSFET、高精度采样电阻配合集成运放构成负反馈放大电路，采用2.56V基准电压可实现输出20mA～2000mA电流，步进分辨力可达到0.5mA，满足1mA步进要求，控制输出和测量精度不大于5mA满足0.1%+3个字的要求。

参考文献

[1] 曲学基，王增福，曲敬铠.稳定电源实用电路选编[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2] TI公司.TL082手册[Z].www.ti.com.

[3] IR公司.IRF640手册[Z].www.irf.com.

[4] TI公司.TLV5618手册[Z].www.ti.com.

[5] 美信公司.MAX187手册[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