基于CPLD的三相工頻可控恒流源設(shè)計(jì)

陳聰偉，華　猛，劉傳洋，肖金球

（蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

基于CPLD的三相工頻可控恒流源設(shè)計(jì)

陳聰偉，華猛，劉傳洋，肖金球*

（蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

為了彌補(bǔ)市場(chǎng)現(xiàn)有恒流源輸出精度低、范圍小等缺陷，設(shè)計(jì)了基于CPLD的三相工頻可控恒流源。運(yùn)用多量程切換思想，以CPLD為主控器，運(yùn)用功率放大電路及HOWLAND轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)恒流源的精確可控輸出。測(cè)試結(jié)果表明，該恒流源輸出精度高、功率大、輸出范圍廣且線性可調(diào)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

CPLD；多量程切換；工頻；恒流源

工頻恒流源［1］作為穩(wěn)定電源的分支，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力測(cè)試儀表及校驗(yàn)裝置中［2-4］?，F(xiàn)行市場(chǎng)上的恒流源多為DDS合成［5-6］，使用截止頻率穩(wěn)定電路和浮動(dòng)負(fù)載電流源電路實(shí)現(xiàn)，其存在輸出精度低、輸出范圍小及功率低［7-9］等缺點(diǎn)，難以滿足工業(yè)要求。

筆者在分析傳統(tǒng)恒流源技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了以RC振蕩電路作為信號(hào)源，CPLD（Complex Programmable Logic Device）為主控單元，運(yùn)用功率放大電路及HOWLAND轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)恒流源的精確可控輸出。與市場(chǎng)上的恒流源相比，該設(shè)計(jì)成本低廉，且單相輸出電流功率高達(dá)50 W，穩(wěn)定性好、精度高，可以很好地滿足電力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試及生產(chǎn)要求。

1　電路方案

基于CPLD的三相工頻可控恒流源的總體方案如圖1所示。主要由控制模塊、顯示模塊、正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊、可控放大模塊、移相模塊及V-I和功率放大模塊構(gòu)成。信號(hào)源采用文氏振蕩，產(chǎn)生50 Hz穩(wěn)定的正弦波信號(hào)。信號(hào)源產(chǎn)生的正弦波輸送到可控放大模塊上進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)移相處理后，最終在電壓/電流轉(zhuǎn)換及功率放大模塊中實(shí)現(xiàn)三相的V-I轉(zhuǎn)換和大功率輸出。

設(shè)計(jì)采用CPLD作為MCU，運(yùn)用多量程切換、粗細(xì)結(jié)合的思想，實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度的恒流輸出。V-I模塊的限流電阻切換實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，可控放大模塊實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，粗、細(xì)結(jié)合控制，便于實(shí)際操作，提高輸出精度。

圖1　三相工頻恒流源設(shè)計(jì)框圖

2　硬件電路

2.1CPLD控制模塊

CPLD即可編程邏輯器件，其集成度高、編程靈活、使用方便且成本低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子、儀表儀器、航天測(cè)控、數(shù)控機(jī)床等方面。用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能，也可以通過(guò)分析時(shí)序邏輯，然后編程設(shè)計(jì)，控制外圍電路。CPLD采用并行計(jì)算，且時(shí)序延遲可預(yù)測(cè)，能夠有效的提高控制精確度，避免出現(xiàn)時(shí)序混亂。

設(shè)計(jì)中Altera公司推出的MAXII系列EPM1270T144C5芯片作為核心控制模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)JTAG口將程序下載到EPM1270T144C5中，直接控制芯片的內(nèi)部邏輯單元和I/O口，進(jìn)而達(dá)到對(duì)整個(gè)三相工頻恒流源的控制。外圍的按鍵模塊和LCD顯示模塊是以人機(jī)交互為目的，便于操作控制。

2.2可控放大電路

放大模塊采用DS1267-010可控?cái)?shù)字電位器，其精確度高、控制簡(jiǎn)易。設(shè)計(jì)中DS1267作為反饋電阻，利用CPLD編程控制DS1267-010的阻值變化，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整，電路如圖3所示。

R1為數(shù)字電位器DS1267的輸出阻值。當(dāng)需要改變恒流源的輸出值時(shí)，只需編程調(diào)整R1的阻值，即可精確控制輸出大小，由（1）式可知，輸入恒定時(shí)，數(shù)字電位器R1與輸出電壓成正比，即可達(dá)到線性控制輸出的目的。

2.3V-I轉(zhuǎn)換和功率放大電路

HOWLAND電路［9-10］內(nèi)具有反饋功能，能夠維持恒流輸出。設(shè)計(jì)中對(duì)該電路進(jìn)一步研究和改進(jìn)，用電壓跟隨電路替代反饋電路，不僅使輸出的電流盡可能流到負(fù)載上，同時(shí)提高了輸出質(zhì)量，使其電路更穩(wěn)定，有效的實(shí)現(xiàn)了V-I的轉(zhuǎn)換。HOWLAND改進(jìn)電路如圖4所示。

電路中的輸入U(xiǎn)in和輸出Iout的關(guān)系式推導(dǎo)［11］

圖2　硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3　DS1267可控放大電路

圖4　HOWLAND改進(jìn)電路圖

取R1=R2=R3=R4，因?yàn)閁2是個(gè)跟隨電路，則得：u2=up2。

根據(jù)疊加原理可得

由虛短、虛斷可知un1=up1。即

由式（4）可知，U1輸出

式（3）和式（5）聯(lián)立可得：u01=up2+ui。

代入式（2）得

由（6）式可知，當(dāng)R0固定不變時(shí)，輸出電流Iout和Uin是線性相關(guān)。即恒流輸出與負(fù)載阻抗大小無(wú)關(guān)，輸出信號(hào)Iout只隨輸入信號(hào)Uin變化。

HOWLAND改進(jìn)電路的實(shí)際輸出電流和功率較小，為此在OPA445 U0的輸出引腳增加推挽式的功率放大模塊，電路如圖5所示。功率放大模塊選用IRF630和IRF9630功放場(chǎng)效應(yīng)管。源極漏極相連，形成推挽式功率放大輸出，以實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

圖5中，當(dāng)電路輸入端Uin變化時(shí)，兩源極的電位也會(huì)隨著Uin輸入改變。當(dāng)輸入的電壓信號(hào)為正時(shí)，IRF630工作在放大區(qū)，進(jìn)行功率放大，隨Uin增大，輸出的電流Iout也增大，此時(shí)，IRF9630處于截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)輸出無(wú)影響。同理可知，當(dāng)輸入信號(hào)Uin為負(fù)時(shí)，IRF9630工作在放大區(qū)，IRF630處于截止?fàn)顟B(tài)。兩個(gè)MOSFET進(jìn)行互補(bǔ)工作，實(shí)現(xiàn)推挽放大。

2.4多量程切換電路

電流輸出Iout范圍為0～2 000 mA，運(yùn)用多量程切換思想，對(duì)其進(jìn)行分段處理即2-20 mA、20-200 mA、200-2 000 mA，運(yùn)用三個(gè)繼電器進(jìn)行量程切換，多量程切換電路如圖6所示。按鍵設(shè)置不同量程，切換不同限流電阻，設(shè)置200-2 000 mA范圍時(shí)，R01工作，R02與R03不工作；20-200 mA范圍時(shí)，R02工作；2-20 mA范圍時(shí)，R03工作。

圖5　HOWLAND和功率放大電路圖　

圖6　多量程切換電路

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件開(kāi)發(fā)流程

該設(shè)計(jì)使用的芯片是EPM1270T144C5，需要Altera推出的Quartus II作為開(kāi)發(fā)工具。Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確。開(kāi)發(fā)流程如下：（1）分析確定方案。首先分析所需功能要求，確定編程方案。（2）設(shè)計(jì)編程。根據(jù)分析的結(jié)果和方案，設(shè)計(jì)編程流程，進(jìn)行硬件語(yǔ)言描述編程。（3）功能仿真。根據(jù)編寫(xiě)的程序進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證是否能實(shí)現(xiàn)所需功能。（4）時(shí)序仿真。驗(yàn)證設(shè)計(jì)項(xiàng)目的邏輯功能和時(shí)序關(guān)系是否正確。（5）軟硬件調(diào)試。通過(guò)JTAG等方式將程序下載到芯片內(nèi)進(jìn)行軟硬件調(diào)試。（6）下載固化。在軟硬件聯(lián)調(diào)成功，設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)后，即可將程序固化到芯片。

3.2控制模塊軟件設(shè)計(jì)

三相工頻可控恒流源控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)模塊：鍵盤檢測(cè)、DS1267控制、量程切換電路及顯示。根據(jù)各模塊之間的關(guān)聯(lián)及任務(wù)時(shí)序優(yōu)先級(jí)，其控制流程如圖7所示。

圖7　控制流程圖

4　測(cè)試結(jié)果

4.1相同負(fù)載測(cè)試

選用特定大功率同阻值電阻作為負(fù)載，通過(guò)按鍵預(yù)置不同電流值觀測(cè)各相輸出電流的大小，并對(duì)其進(jìn)行誤差分析。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。IA、IB、IC分別是三相恒流源的各相輸出測(cè)量值。

表1　同負(fù)載下的三相恒流值測(cè)量

由表1數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的可控恒流源在相同負(fù)載的情況下，對(duì)于0-2 000 mA不同預(yù)置電流，其各相輸出穩(wěn)定，隨著預(yù)置電流的增大，輸出誤差逐漸減小，且保持＜1%，能很好地滿足工業(yè)測(cè)試中對(duì)恒流源精度的要求。

同負(fù)載測(cè)試下，筆者對(duì)預(yù)置電流為34 mA，負(fù)載為10.2 Ω時(shí)的IA、IB兩相輸出波形進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示，可以清晰的觀察到IA、IB輸出的波形相位差為120°，且波形失真度小。

圖8　預(yù)置3 mA的IA、IB兩相輸出波形

4.2不同負(fù)載測(cè)試

分別選取5.1 Ω和10.2 Ω作為負(fù)載電阻進(jìn)行測(cè)試，在0～2 000 mA內(nèi)預(yù)置相同的電流，對(duì)比觀察不同負(fù)載電阻時(shí)的各相輸出情況，并記錄分析。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　兩種負(fù)載下的恒流值測(cè)量對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可知，不同負(fù)載情況下，各相輸出電流恒定，誤差較小，不隨負(fù)載的大小改變。

綜上表1、表2可見(jiàn)，恒流源輸出結(jié)果仍存在較小誤差（在誤差允許范圍內(nèi)），其主要原因來(lái)自取樣電阻本身誤差，功率運(yùn)算放大器的非線性誤差及工頻噪聲等，在下階段研究中，對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)，將誤差最小化。

5　結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)以CPLD作為核心控制器，結(jié)合可控放大、V-I轉(zhuǎn)換、功率放大等電路，實(shí)現(xiàn)了輸出電流連續(xù)線性可調(diào)。該三相可控恒流源具有精度高、穩(wěn)定性好、功率大和輸出范圍寬等特點(diǎn)，可應(yīng)用于我國(guó)50 Hz三相電力系統(tǒng)測(cè)試開(kāi)發(fā)中，具有較好的應(yīng)用前景。

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責(zé)任編輯：艾淑艷

Design of three-phase frequency controlled constant current source based on CPLD

CHEN Congwei，HUA Meng，LIU Chuanyang，XIAO Jinqiu
（School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

In order to cover the shortage that constant current source in present markets is of low output accuracy and small output range，this paper presents a three-phase frequency controlled constant current source based on CPLD.Using CPLD as master controller，the design combined the idea of multi-range switching with power amplifier module and HOWLAND switching module to ensure the accurate current output.Experimental tests show that the three-phase frequency controlled constant current source has practical advantages，such as high precision，high power and wide range of output，linear adjustment and a promising prospect.

CPLD；multi-range switching；controllableity；constant current source

TP368.1

A

1672-0687（2016）03-0054-05

2016-03-01

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2014-K8-050）；蘇州科技學(xué)院?；痦?xiàng)目（XKZ201507）

陳聰偉（1990-），男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：智能測(cè)控技術(shù)。*通信聯(lián)系人：肖金球（1963-），男，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：xjq@mail.usts.edu.cn。