CN108255222A - 一种多路电流负载的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路电流负载的控制系统。包括控制电源模块（1），控制电源模块（1）分别与主控芯片（2）和控制模块（3）连接，控制模块（3）与输出驱动模块（4）连接，输出驱动模块（4）与功率电源模块（5）连接；所述的控制模块（3）包括模拟信号单元（6）和数字信号单元（7），模拟信号单元（6）和数字信号单元（7）均经通讯单元（8）与主控芯片（2）连接；所述的输出驱动模块（4）包括英飞凌驱动电路（9）。本发明能够实现多路电流控制，具有适用性强和通用性强的特点。

Description

一种多路电流负载的控制系统

技术领域

本发明涉及一种电路控制系统，特别是一种多路电流负载的控制系统。

背景技术

伺服电机的控制和电磁阀的控制均需要在伺服电机和电磁阀等负载使用前需要对其控制性能进行检测，检测时需要根据负载运行反馈的信号对电流比例进行控制，以实现测试目的；而目前用于检测负载的控制系统存在控制单一，无法实现多路并发负载的控制，适用范围窄，且伺服电机和电磁阀的控制不能够使用同一系统进行控制，通用性差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多路电流负载的控制系统。本发明能够实现多路电流控制，具有适用性强和通用性强的特点。

本发明的技术方案：一种多路电流负载的控制系统，包括控制电源模块，控制电源模块分别与主控芯片和控制模块连接，控制模块与输出驱动模块连接，输出驱动模块与功率电源模块连接；所述的控制模块包括模拟信号单元、数字信号单元和通讯单元,模拟信号单元、数字信号单元、通讯单元均与主控芯片连接；所述的输出驱动模块包括英飞凌驱动电路。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的输出驱动模块还包括高速电流负载电路。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的输出驱动模块还包括DAC通道电路。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的模拟信号单元包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相端与电阻R1一端连接，电阻R1另一端分别与稳压二极管Z1的负极和电阻R2的一端连接，稳压二极管Z1的正极接地，运算放大器U1的反相端分别与电容C1的一端和运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端还与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与主控芯片连接；电阻R2的另一端分别与外界模拟信号输入端子和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与测量/指示灯端子的一端连接，测量/指示灯端子的另一端接地；电容C1的另一端与所述的电阻R1另一端连接。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的数字信号单元包括频率信号控制电路，频率信号控制电路包括电压比较器U2，电压比较器U2的同相端分别与可变电阻W1的滑动端和电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与电压比较器U2的输出端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与外界频率信号输入端子连接；所述的电压比较器U2的反相端端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端分别与稳压三极管Z2的负极和电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与频率测量端子连接；所述的电阻R5还并联有电容C2。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的数字信号单元还包括伺服电机移动控制电路，伺服电机移动控制电路包括光耦U3，光耦U3的阳极与v5_aux连接,阴极经电阻R9与三极管T1的C端连接，第4、5引脚与伺服电机连接；所述的三极管T1的E端接地，B端分别与电阻R10和电阻R19的一端连接，电阻R10的另一端接地，电阻R19的另一端与变压器U4连接。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的通讯单元包括RS232收发器U5，RS232收发器U5经隔离器U6与主控芯片连接。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的英飞凌驱动电路包括高边NMOS开关Q1，高边NMOS开关Q1的S端分别与恒流控制器U7的NEG端、采样电阻R11的一端和续流二极管SD1的正极连接，G端与恒流控制器U7的OUT端连接，D端接地，G端与D端间还并联有电阻R12和稳压二极管Z3，稳压二极管Z3的正极与D端连接，负极与G端连接；所述的采样电阻R11的另一端与恒流控制器U7的POS端连接。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的高速电流负载电路包括PMOS管Q2，PMOS管Q2的S端分别与外界输入电源、外界负载端子和稳压二极管Z4的负极连接，PMOS管Q2的G端与变压器U4的B端连接，PMOS管Q2的D端接地，PMOS管Q2的G端和D端间还并联有稳压二极管Z5，稳压二极管Z5的负极与G端连接。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的DAC通道电路包括运算放大器U8，运算放大器U8的同相端与电阻R13一端连接，电阻R13另一端与电阻R14和电容C13的一端连接，电阻R14另一端与数模转换器U9的Vout端连接，电容C13另一端与运算放大器U8的输出端连接，运算放大器U8的反相端经电阻R19接地；运算放大器U8的输出端还与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与DAC输出端子连接；所述的运算放大器U8的反相端和输出端间还分别并联有电阻R17和电阻R18。

有益效果：与现有技术相比，本发明在控制模块中设置模拟信号单元和数字信号单元，使得本发明既能够处理模拟信号，又能够处理数字信号使得本发明对信号的处理得到增强，继而能够扩大了处理各种类型负载反馈信号(因有的负载的反馈信号是模拟信号，有的是数字信号)的能力，进而扩大了本发明的适用范围和增强了本发明的通用性。本发明能够通过预先在上位机上(上位机，是指电脑、外界控制电路等；本系统采用RS232通讯方式与上位机连接)设定电流、频率、占空比等参数并结合负载反馈信号对负载进行实时自动控制，弥补了用普通的方法几乎无法准确对多路并发负载的电流、频率、占空比等方面进行实时控制的缺点，扩大了本发明的适用范围。本发明还弥补了手动控制时精准度不高的缺点，同时也大大降低工人的测试难度和技术难度。本发明的英飞凌驱动电路和高速电流负载电路能够实现4路英飞凌驱动控制及16路高速电流负载输出，满足每通道的输出电流最大值为15A，且本发明的DAC通道电路能够实现4路DAC输出5V高频方波信号的输出控制，以此增强本发明的使用性能，提高了本发明的兼容性和检测效率，为批量检测提供了更高的市场竞争力。由此得知，本发明具有电机控制，多路电流控制，多路高速开关控制，具有与上位机通信功能、同时可接受多路模拟和数字信号，因此可根据需求组合实现电流、位移、开关量控制并提供接口将数据采集上传到上位机，以实现自动控制和测量。

综上所述，本发明能够实现多路电流控制，具有适用性强和通用性强的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是模拟信号单元电路结构示意图；

图3是频率信号控制电路的电路结构示意图；

图4是伺服电机移动控制电路的电路结构示意图；

图5是通讯单元的电路结构示意图；

图6是英飞凌驱动电路的电路结构示意图；

图7是电流负载电路的电路结构示意图；

图8是DAC通道电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种多路电流负载的控制系统，构成如图1所示，包括控制电源模块1，控制电源模块1分别与主控芯片2和控制模块3连接，控制模块3与输出驱动模块4连接，输出驱动模块4与功率电源模块5连接；所述的控制模块3包括模拟信号单元6、数字信号单元7和通讯单元8,模拟信号单元6、数字信号单元7、通讯单元8均与主控芯片2连接；所述的输出驱动模块4包括英飞凌驱动电路9。控制电源模块1给主控芯片2和控制模块3供电，功率电源模块5给输出驱动模块4供电。

前述的输出驱动模块4还包括高速电流负载电路10。

前述的输出驱动模块4还包括DAC通道电路11。

前述的模拟信号单元6，构成如图2所示，包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相端与电阻R1一端连接，电阻R1另一端分别与稳压二极管Z1的负极和电阻R2的一端连接，稳压二极管Z1的正极接地，运算放大器U1的反相端分别与电容C1的一端和运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端还与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与主控芯片2IO引脚连接(如图2中所示的ad13端口与主控芯片2IO引脚连接)；电阻R2的另一端分别与外界模拟信号输入端子如图2中所示的sad13是外界模拟信号输入端子网络标号和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与测量/指示灯端子如图2中所示的JMP是测量/指示灯端子网络标号的一端连接，测量/指示灯端子的另一端接地；电容C1的另一端与所述的电阻R1另一端连接。

传感器信号通过运算放大器U1的跟随器电路，把模拟输入信号和主控芯片2进行隔离，因运算放大器U1内阻极大，最大只有1.4mA漏电流，可在隔离后用电阻进行分压采样。

前述的数字信号单元7包括频率信号控制电路12，频率信号控制电路12，构成如图3所示，包括电压比较器U2，电压比较器U2的同相端分别与可变电阻W1的滑动端和电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与电压比较器U2的输出端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与外界频率信号输入端子如图3所示的freq1是外界频率信号输入端子网络标号连接；所述的电压比较器U2的反相端端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端分别与稳压三极管Z2的负极和电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与频率测量端子连接(如图3所示的s_freq1端子即为频率测量端子。CON X样式的元器件图一般表示外接的输入输出端子)；所述的电阻R5还并联有电容C2。

通过电压比较器U2对频率信号进行隔离和稳压处理，将电压输出稳定到3.3V的TTL信号，可变电阻W1将电压比较器U2同相端电压调节到0.8V,反向端为信号输入，稳压三极管Z2进行稳压将输入电压稳定到3.3V以下，R7进行分压，C2及R5作为匹配电阻电容防止电路出现震荡。

前述的数字信号单元7还包括伺服电机移动控制电路13，伺服电机移动控制电路13，构成如图4所示，包括光耦U3，光耦U3的阳极与v5_auxv5_aux是5V电源连接,阴极经电阻R9与三极管T1的C端连接，第4、5引脚与伺服电机连接；所述的三极管T1的E端接地，B端分别与电阻R10和电阻R19的一端连接，电阻R10的另一端接地，电阻R19的另一端与变压器U4连接。

伺服电机控制通过变压器U4升压后利用光耦U3的光耦特性对控制信号进行隔离，部分输入通过电压比较器U2，与频率信号部分一样，输入主控芯片2。

前述的通讯单元8包括RS232收发器U5，RS232收发器U5经隔离器U6与主控芯片2连接；具体地通讯单元8的构成如图5所示，包括RS232收发器U5，RS232收发器U5分别与隔离器U10和隔离器U6连接； (如图5中的RS232收发器U5的第9、12引脚7、8、13和14分别与上位机的rs232_tx_pin3、rs232_rx_pin2、rs232_dsr_pin6、rs232_dtr_pin4端子连接。

与上位机通讯采用RS232通讯方式，主控芯片2经过隔离器U10和隔离器U6隔离后，通讯信号进入RS232收发器U5，经过处理；通过RS232端口连接到上位机。因试验中会多个信号进行采样且控制多路输出的主控芯片2采用Microchipchip公司的DSPIC33FJ256MC710A芯片高性能16位数字信号控制器，该主控芯片采用16位数据的改进型哈佛架构，具有增强指令集，其中包括对DSP 的强大支持。

前述的输出模块4包括英飞凌驱动电路9，英飞凌驱动电路9构成如图6所示，包括高边NMOS开关Q1，高边NMOS开关Q1的S端分别与恒流控制器U7的NEG端、采样电阻R11的一端和续流二极管SD1的正极连接，G端与恒流控制器U7的OUT端连接，D端接地，G端与D端间还并联有电阻R12和稳压二极管Z3，稳压二极管Z3的正极与D端连接，负极与G端连接；所述的采样电阻R11的另一端与恒流控制器U7的POS端连接。

英飞凌驱动电路9总共4路，使用恒流控制器U7进行电流控制，可产生4K以内高频输出，并且恒流控制器U7可根据维持电流，自动调整输出占空比，大幅度减少计算量。四路英飞凌驱动电路9相同，其中续流二极管SD1，是高边NMOS开关Q1关断时防止电压突变的续流二极管，采样电阻R11为电流采样电阻，电阻R12为下拉电阻保证开关无信号时关断。负载位于soln_ifxN(N为1,2,3或4)和pwr_pwr_protect两端， 恒流控制器U7可以根据控制信号输出对应的PWM控制电压波形，通过控制高边NMOS开关Q1通断实现对电流大小、频率、占空比控制。其余三路元器件也是一样功能。

前述的输出模块4还包括高速电流负载电路10，电流负载电路构成如图7所示，包括PMOS管Q2，PMOS管Q2的S端分别与pwr_pwr_pritect(pwr_pwr_pritect是外界输入电源网络标号)、外界负载端子如图7所示的soln_sw12是外界负载端子网络标号和稳压二极管Z4的负极连接，PMOS管Q2的G端与变压器U4的B端连接，PMOS管Q2的D端接地，PMOS管Q2的G端和D端间还并联有稳压二极管Z5，稳压二极管Z5的负极与G端连接。

高速电流负载电路10总共16路，电流负载信号由主控芯片2发出，通过变压器U4隔离变压为5V信号后控制PMOS管Q2通断进行驱动，此类驱动因为没有电流反馈，不具备电流调节能力，适合长时间，ms级以上的慢速的开关量驱动，其余15路也如此。上述PMOS管Q2选用IR公司的IRLS3036，该PMOS管Q2的导通阻抗为0.0019欧姆，漏源击穿电压为60VDC，连续最大导通电流为195A。

前述的输出模块4还包括DAC通道电路11，DAC通道电路11构成如图8所示，包括运算放大器U8，运算放大器U8的同相端与电阻R13一端连接，电阻R13另一端与电阻R14和电容C13的一端连接，电阻R14另一端与数模转换器U9的Vout端连接，电容C13另一端与运算放大器U8的输出端连接，运算放大器U8的反相端经电阻R19接地；运算放大器U8的输出端还与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与DAC输出端子如图8中的dac_o3是DAC输出端子网络标号连接；所述的运算放大器U8的反相端和输出端间还分别并联有电阻R17和电阻R18。

DAC通道电路11总共4路，通过数模转换器U9形成2路TTL型号，经过运算放大器U8放大1.5倍以后输出。此类驱动适合高速数字信号，并且具有最大40mA的驱动能力，数模转换器U9计算速度可达20MHZ，下降速度达到4.5us，输入可达2.7V-5.5V。

前述的多路电流负载的控制系统中，所述的主控芯片2的型号是DSPIC33FJ256MC710A；

所述的运算放大器U1的型号是LM6154；

所述的电压比较器U2的型号是LMV7239；

所述的光耦U3的型号是4N33；

所述的变压器U4的型号是74LVX3245；因为主控芯片电流输出能力较弱一般是4mA,通过该变压器隔离变压后可以达到20mA；

所述的RS232收发器U5的型号是MAX3232E；

所述的隔离器U6的型号是ADUM1201；

所述的恒流控制器U7的型号是TLE7242G；

所述的运算放大器U8的型号是LM6154；

所述的数模转换器U9的型号是MCP4922；

本发明的电路程序设计如下所述：

单片机程序设计使用Microchip公司的MPLAB IDE v8.92开发环境

主函数main()程序，ini ()函数是单片机初始化函数，模块定义函数是利用头文件进行调用集中打包在hp2_gd.h文件中，在主循环中采用周期执行状态机程序来确定和切换负载目前的状态信息，负载3包括启动、过激励、维持、停止等状态，并根据时间信息和输入控制信号信息在这些状态之间切换。

主要函数如下：单片机主函数：main (void)；初始化函数： ini(void)；

模块定义头文件：hp2_gd.h；

本发明的上位机显示控制如下所述：

本机采用LABVIEW进行上位机编程，将多个试验融合在一起，根据自身需要进行选择。采用虚拟示波器进行数据采样，测量同型号产品相同参数时可绘制波形并保存数据，避免每次测量都手动记录带来的重复、繁琐的操作过程，以及避免因人为因素引起的测量误差引起的难以保证重复测量条件一致性的情况。同时可以直观看到测量结果的波形图像。因为虚拟示波器是通过采集卡获得的实时数据，采集数据为14位，可同时进行12路采集，采集最高频率可达100K/S。该数据保存为CSV格式数据，因为基础数据已具备，通过LABVIEW计算，本发明提供了在测量时，用户可以根据自身具体要求按照方案向导手动填写或者拖动游标获取测量目标值，填写允许的正负误差值，设定完毕后加载该方案，在测量运行时即可显示测量参数并自动判断产品是否合格。

在测量时用户可以选择本发明的测量方法或者用普通虚拟示波器的检测方法，本发明提供了一个新的选择，增添了用户使用的灵活性。

前述的控制电源模块1的电压为5VDC及3.3VDC，电源供给电压为10VDC～30VDC额定电压为24VDC。由于线性电源芯片将供电电压直接降至5VDC，存在效率低，发热量大，影响芯片周边器件，带来电路维修性不便等问题；使用有较高效率的开关电源芯片进行降压又存在纹波较大，控制电源性能不优的缺点。因此，控制电源电路结合线性电源芯片和开关电源芯片的特点，采用两级降压的方式对控制电源电路进行设计。第一级使用开关电源芯片对30VDC供给电源进行降压处理，得到7.26VDC电压；第二级采用线性稳压电源芯片，将第一级输出的7.26VDC电压降至5VDC及3.3VDC，供给单片机等作控制电源用。控制电源采用两级降压，有效地提高了电源的稳定性、可靠性及效率。

电源部分电路中的关键芯片是national公司开关电源芯片LM2676和低电压降线性稳压芯片LM1117。LM2676_ADJ开关电源芯片是一款易于使用的同步降压直流到直流转换器，此转换器能够驱动高达3A的负载电流，输入电压范围为8VDC～40VDC。 LM1117是低压降线性稳压器，最高输出电流为0.8A，具有输出电流限制和过温关断功能，输出电压精度为±1%，其外围电路十分简单，所需元器件较少。

前述的功率电源模块5的功率电源电压为10VDC～30VDC额定电压为24VDC。电源电路需要具有解耦、滤波、稳压、浪涌保护、反接保护、在功率电源输出端连接LED电源指示灯等。

反接保护此处关键元器件为IPB120P04P4L-03型 PMOS管，该MOS管漏源击穿电压为-40VDC，稳态导通阻抗为3.1mΩ，连续电流为-120A。

Claims (10)

1.一种多路电流负载的控制系统，其特征在于：包括控制电源模块（1），控制电源模块（1）分别与主控芯片（2）和控制模块（3）连接，控制模块（3）与输出驱动模块（4）连接，输出驱动模块（4）与功率电源模块（5）连接；所述的控制模块（3）包括模拟信号单元（6）、数字信号单元（7）和通讯单元（8）,模拟信号单元（6）、数字信号单元（7）、通讯单元（8）均与主控芯片（2）连接；所述的输出驱动模块（4）包括英飞凌驱动电路（9）。

2.根据权利要求1所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的输出驱动模块（4）还包括高速电流负载电路（10）。

3.根据权利要求1或2所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的输出驱动模块（4）还包括DAC通道电路（11）。

4.根据权利要求1或2所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的模拟信号单元（6）包括运算放大器（U1），运算放大器（U1）的同相端与电阻（R1）一端连接，电阻（R1）另一端分别与稳压二极管（Z1）的负极和电阻（R2）的一端连接，稳压二极管（Z1）的正极接地，运算放大器（U1）的反相端分别与电容（C1）的一端和运算放大器（U1）的输出端连接，运算放大器（U1）的输出端还与电阻（R3）的一端连接，电阻（R3）的另一端与主控芯片（2）连接；电阻（R2）的另一端分别与外界模拟信号输入端子和电阻（R4）的一端连接，电阻（R4）的另一端与测量/指示灯端子的一端连接，测量/指示灯端子的另一端接地；电容（C1）的另一端与所述的电阻（R1）另一端连接。

5.根据权利要求1或2所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的数字信号单元（7）包括频率信号控制电路（12），频率信号控制电路（12）包括电压比较器（U2），电压比较器（U2）的同相端分别与可变电阻（W1）的滑动端和电阻（R5）的一端连接，电阻（R5）的另一端分别与电压比较器（U2）的输出端和电阻（R6）的一端连接，电阻（R6）的另一端与外界频率信号输入端子连接；所述的电压比较器（U2）的反相端端与电阻（R7）的一端连接，电阻（R7）的另一端分别与稳压三极管（Z2）的负极和电阻（R8）的一端连接，电阻（R8）的另一端与频率测量端子连接；所述的电阻（R5）还并联有电容（C2）。

6.根据权利要求5所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的数字信号单元（7）还包括伺服电机移动控制电路（13），伺服电机移动控制电路（13）包括光耦（U3），光耦（U3）的阳极与v5_aux连接,阴极经电阻（R9）与三极管（T1）的C端连接，第4、5引脚与伺服电机连接；所述的三极管（T1）的E端接地，B端分别与电阻（R10）和电阻（R19）的一端连接，电阻（R10）的另一端接地，电阻（R19）的另一端与变压器（U4）连接。

7.根据权利要求1或2所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的通讯单元（8）包括RS232收发器（U5），RS232收发器（U5）经隔离器（U6）与主控芯片（2）连接。

8.根据权利要求1或2所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的英飞凌驱动电路（9）包括包括高边NMOS开关（Q1），高边NMOS开关（Q1）的S端分别与恒流控制器（U7）的NEG端、采样电阻（R11）的一端和续流二极管（SD1）的正极连接，G端与恒流控制器（U7）的OUT端连接，D端接地，G端与D端间还并联有电阻（R12）和稳压二极管（Z3），稳压二极管（Z3）的正极与D端连接，负极与G端连接；所述的采样电阻（R11）的另一端与恒流控制器（U7）的POS端连接。

9.根据权利要求2所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的高速电流负载电路（10）包括PMOS管（Q2），PMOS管（Q2）的S端分别与外界输入电源、外界负载端子和稳压二极管（Z4）的负极连接，PMOS管（Q2）的G端与变压器（U4）的B端连接，PMOS管（Q2）的D端接地，PMOS管（Q2）的G端和D端间还并联有稳压二极管（Z5），稳压二极管（Z5）的负极与G端连接。

10.根据权利要求3所述的多路电流负载的控制系统，其特征在于：所述的DAC通道电路（11）包括运算放大器（U8），运算放大器（U8）的同相端与电阻（R13）一端连接，电阻（R13）另一端与电阻（R14）和电容（C13）的一端连接，电阻（R14）另一端与数模转换器（U9）的Vout端连接，电容（C13）另一端与运算放大器（U8）的输出端连接，运算放大器（U8）的反相端经电阻（R19）接地；运算放大器（U8）的输出端还与电阻（R15）的一端连接，电阻（R15）的另一端与电阻（R16）的一端连接，电阻（R16）的另一端与DAC输出端子连接；所述的运算放大器（U8）的反相端和输出端间还分别并联有电阻（R17）和电阻（R18）。