基于PWM控制技術(shù)的高精度電流環(huán)設(shè)計(jì)方法研究

鄭芳菲

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶　400039）

?

基于PWM控制技術(shù)的高精度電流環(huán)設(shè)計(jì)方法研究

鄭芳菲

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

摘要：結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器技術(shù)現(xiàn)狀，提出一種基于PWM控制技術(shù)的電流環(huán)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)原理，從理論上分析電流信號高精度輸出的修正方法。

關(guān)鍵詞：電流環(huán)；PWM；修正

在煤礦安全系統(tǒng)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(yīng)用。煤礦井下電磁環(huán)境異常復(fù)雜，采煤機(jī)、輸送機(jī)等電氣設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，而頻率型電壓調(diào)制信號抗干擾能力較差，容易造成安全監(jiān)控系統(tǒng)信號中斷、冒大值等現(xiàn)象。4～20mA電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式具有抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是工業(yè)控制領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)通信方式，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常普遍［1］。

基于此，結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種基于PWM數(shù)字控制技術(shù)的低成本電流環(huán)設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)信號的高精度輸出。

1　4～20mA電流環(huán)

4～20mA信號制是國際電工委員會（IEC）制定的過程控制系統(tǒng)用模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA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(bào)警下限。這種信號制式傳輸?shù)木嚯x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(wěn)定性能大大提高。圖1為典型的電流環(huán)基本組成圖，其包括傳感器、發(fā)送器、接收器和電流源。傳感器用來測量某一物理參數(shù)（如瓦斯?jié)舛?、溫度、壓力等），并提供相?yīng)的輸出電壓。發(fā)送器將傳感器的輸出電壓成比例地轉(zhuǎn)換為4～20mA的直流電流。接收器接收4～20mA的電流并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓，以備處理［2］。

2　基于PWM控制技術(shù)的電流環(huán)設(shè)計(jì)

2.1基本原理

PWM（脈沖寬度調(diào)制）方式是目前大多數(shù)微控制器（MCU）基本配置，分辨率一般都在8位以上。應(yīng)用固定周期、占空比可調(diào)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(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換輸出，低通濾波器的帶寬決定了D/A轉(zhuǎn)換器的帶寬的范圍。采用PWM方式實(shí)現(xiàn)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(shù)字信號轉(zhuǎn)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(huán)本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換的模擬量轉(zhuǎn)換電路，即V-I變換。結(jié)合PWM方式的D/A變換的硬件電路，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字方式控制輸出高精度電流環(huán)信號。

圖1 PWM實(shí)現(xiàn)D/A變換的基本原理

2.2PWM實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的理論分析

圖2所示的PWM信號可以用分段函數(shù)表示為：

其中：T是單片機(jī)中計(jì)數(shù)脈沖的基本周期，即單片機(jī)每隔T時(shí)間記一次數(shù)（計(jì)數(shù)器的值增加或者減少1）；N是PWM波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；n是PWM波一個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)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(gè)周期波序號；t為時(shí)間［4］。

圖2 PWM信號示意圖

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

從式（2）可以看出，式中第一個(gè)方括弧為直流分量，第二項(xiàng)為第一次諧波分量，第三項(xiàng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，即PWM波可以通過一個(gè)低通濾波器進(jìn)行調(diào)解。式（2）中的第二項(xiàng)的幅度和相角與n有關(guān)，頻率為1/NT，該頻率是設(shè)計(jì)低通濾波器的依據(jù)。如果能把1次諧波很好地過濾掉，則高次諧波應(yīng)基本不存在［5］。

根據(jù)上述分析可以得到如圖3所示的從PWM到D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號處理方塊圖，根據(jù)該方塊圖可以有許多電路實(shí)現(xiàn)方法，在單片機(jī)的應(yīng)用中還可以通過軟件的方法進(jìn)行精確度調(diào)整和誤差的進(jìn)一步校正。

圖3 從PWM到D/A轉(zhuǎn)換器

2.3電流環(huán)設(shè)計(jì)

電路圖如圖4所示。單片機(jī)輸出PWM波（這里建議用STC12C5A32S2單片機(jī)中的16位高速比較模塊來產(chǎn)生這樣比較容易產(chǎn)生16位的PWM波，比用定時(shí)器要容易精確度要高）驅(qū)動(dòng)IRF530（其典型導(dǎo)通電阻為0.16Ω，而截止電阻卻非常大，這里必須選擇導(dǎo)通電阻小的NMOS管，否則導(dǎo)通的時(shí)候VGS不可忽略），與IRF530并聯(lián)的是基準(zhǔn)電壓LM336-5V（實(shí)際中由于單片機(jī)的輸出電壓并不穩(wěn)定，所以在用了基準(zhǔn)電壓源LM336-5V來產(chǎn)生穩(wěn)定的高電平5V），在IRF530截止的時(shí)候，PWM的高電平穩(wěn)定的等于5V。OUT點(diǎn)的PWM波，經(jīng)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(jīng)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(yùn)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(jì)算方法）放大得到了直流分量。

3　電流環(huán)信號精度修正方法

PWM到D/A轉(zhuǎn)換器輸出的誤差來源受兩方面制約：決定D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，分辨率是一個(gè)很重要的參數(shù)，分辨率計(jì)算直接與N和n的可能變化有關(guān)，計(jì)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(zhuǎn)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(dāng)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(dǎo)致D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的分辨率降低，D/A轉(zhuǎn)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(jī)的計(jì)數(shù)脈沖寬度（這往往需要提高單片機(jī)的工作頻率），在不降低1次諧波頻率的前提下提高精度。實(shí)際上，T較小受到單片機(jī)時(shí)鐘和PWM后續(xù)電路開關(guān)特性的限制。如果在實(shí)際中需要微妙級的T，則后續(xù)電路需要選擇開關(guān)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的誤差，取決于通過低通濾波器的高頻分量所產(chǎn)生的紋波和PWM信號的高電平穩(wěn)定度兩方面。為獲得最佳的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效果，在選取PWM信號的頻率時(shí)要適當(dāng)?shù)恼壑裕?，分辨率高，但濾波器需要更低的截止頻率，同時(shí)限制了輸入PWM信號的變化頻率；太小，則分辨率下降。

圖4 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

表1 PWM分辨率

4　結(jié)語

該文提出一種基于PWM控制技術(shù)的電流環(huán)的設(shè)計(jì)方法，并分析了信號輸出精度的修正方法。通過實(shí)際電路測試，該方法在降低了硬件成本的技術(shù)上，可以提供可靠、高精度的電流環(huán)信號。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控及通信技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，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(dòng)化，2013（8）：35-38.

［3］沈利榮，孫廣，宋楠.基于4～20mA電流環(huán)的井下供電與信號傳輸方案研究［J］.儀表技術(shù)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(huán)的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2008（2）：121-123.

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

中圖分類號：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)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