CN113253786B - 一种可多级调节的电流源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可多级调节的电流源装置，属于电流源领域，可编程直流电源、控制单元、主电路和检测单元，本发明首先通过第一处理器，对可编程直流电源的输出电压进行一级电压调节，并输出指令设置信号；接着使用第二处理器接收指令设置信号，并根据指令设置信号对主电路进行二级频率调节，使得所述主电路输出特定频率的交流电至负载；最后通过检测单元在二级频率调节后检测负载的反馈参数，第二处理器接收所述反馈参数，并根据反馈参数对主电路进行三级电压调节。本发明采用先粗调电压，再进行频率调节，最后再细调主电路输出的方式，实现了宽电压范围的输出，使最终输出电流值精度更高且稳定。

Description

一种可多级调节的电流源装置
技术领域
本发明涉及电流源领域，尤其涉及一种可多级调节的电流源装置。
背景技术
交流电流源是一种常用的激励源，是电力工程师、生产调试和教学科研的测试用重要激励源，其广泛应用在通信、航海、航天和传感检测等领域。
现有技术中对交流电流源的调节过程中通常通过电流传感器采集负载的电流信息，并将电流信息与预设的输出电流进行对比后调节电路的输出，但是只使用一级调节，输出的电流精度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术调节交流电流源输出时，输出电流精度较低的问题，提供了一种可多级调节的电流源装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
提供一种可多级调节的电流源装置，包括可编程直流电源、控制单元、主电路和检测单元，所述可编程直流电源输出直流电至所述主电路，所述主电路输出交流电至负载，所述控制单元分别与所述可编程直流电源、主电路和检测单元，所述检测单元还与负载连接；
所述控制单元包括：
第一处理器，与所述可编程直流电源连接，用于对可编程直流电源的输出电压进行一级电压调节，并输出与一级电压调节相关的指令设置信号；
第二处理器，用于接收指令设置信号，并根据指令设置信号对主电路进行二级频率调节，使得所述主电路输出特定频率的交流电至负载；
所述检测单元用于在二级频率调节后检测负载的反馈参数；
所述第二处理器还用于接收所述反馈参数，并根据反馈参数对主电路进行三级电压调节。
优选地，所述主电路包括依次串联的降压斩波电路和全桥逆变电路，所述全桥逆变电路与所述第二处理器连接，用于进行二级频率调节，所述降压斩波电路与所述第二处理器连接，用于进行三级电压调节。
优选地，所述主电路还包括升压变压器，所述升压变压器连接在全桥逆变电路和负载之间。
所述降压斩波电路包括第一输入电容Cin1、第一三极管Q1、第一电感L1、第一二极管D1和第一输出电容C1，第一输入电容Cin1一端与可编程直流电源正极连接，第一输入电容Cin1另一端与可编程直流电源负极连接，第一三极管Q1的集电极连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源正极之间的公共连接点上，第一三极管Q1的发射极与第一二极管D1的负极连接，第一二极管D1的正极连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源负极之间的公共连接点上，第一输出电容C1的一端连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源负极之间的公共连接点上，第一输出电容C1的另一端与全桥逆变电路连接，第一电感L1的一端与第一二极管D1的负极连接，第一电感L1的另一端连接在第一输出电容C1与全桥逆变电路之间的公共连接点上；
所述全桥逆变电路包括第二输入电容Cin2、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第二电感L2和第二输出电容C2，第二输入电容Cin2并联在第一输出电容C1的两端，第二三极管Q2的集电极与第二输入电容Cin2一端连接，第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的集电极连接，第三三极管Q3的发射极与第二输入电容Cin2的另一端连接，第四三极管Q4的集电极连接在第二三极管Q2与第二输入电容Cin2之间的公共连接点上、第四三极管Q4的发射极与第五三极管Q5的集电极连接，第五三极管Q5的发射极连接在第三三极管Q3与第二输入电容Cin2之间的公共连接点上，第二输出电容C2的一端连接在第二三极管Q2与第三三极管Q3之间的公共连接点上，第二输出电容C2的另一端与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端连接在第四三极管Q4与第五三极管Q5之间的公共连接点上；
所述升压变压器包括变压器T1，所述变压器T1连接在第二输出电容C2的两端，所述第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5上均连接有二极管。
优选地，所述一级电压调节包括：
所述第一处理器根据设定的输出电流值和输出频率值，计算出可编程直流电源输出直流电压的最大值。
优选地，所述二级频率调节包括：
所述第二处理器根据设定的输出频率值计算生成特定周期的正弦脉宽调制信号，并根据特定周期的正弦脉宽调制信号控制全桥逆变电路输出设定频率的交流电。
优选地，所述三级电压调节包括：
所述第二处理器根据所述反馈参数与设定的输出电流值的差值，计算出特定占空比的脉宽信号，并根据特定占空比的脉宽信号调节降压斩波电路的输出电压。
优选地，所述控制单元还包括隔离负压驱动模块，所述隔离负压驱动模块连接在所述第二处理器和主电路之间。
优选地，所述检测单元电流和/或电压传感器。
优选地，所述控制单元还包括数模转换模块，所述数模转换模块连接在所述第二处理器和检测单元之间。
优选地，所述数模转换模块包括一个数模转换芯片，第二处理器通过串行外设接口与所述数模转换芯片连接。
需要进一步说明的是，上述系统各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)本发明首先通过第一处理器，对可编程直流电源的输出电压进行一级电压调节，并输出指令设置信号；接着使用第二处理器接收指令设置信号，并根据指令设置信号对主电路进行二级频率调节，使得所述主电路输出特定频率的交流电至负载；最后通过检测单元在二级频率调节后检测负载的反馈参数，第二处理器接收所述反馈参数，并根据反馈参数对主电路进行三级电压调节，实现了宽电压范围的输出，使最终输出电流值精度更高且稳定。
(2)升压变压器将交流电电压按匝比进行升高，提升输出电压的同时使系统输入输出实现全隔离，更加安全。
(3)第二处理器发出的脉宽信号被隔离驱动模块功率放大后，分别实现对降压斩波电路和全桥逆变电路的控制，使最终输出电流值精度更高且稳定。
(4)隔离负压驱动模块在实现强电与控制系统电气隔离的同时还增强了装置的抗信号干扰、串扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例1的方法流程图；
图2为本发明实施例1的方法流程框图；
图3为本发明实施例2的系统框图；
图4为本发明实施例2与现有双环控制仿真对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明采用先粗调电压，再进行频率调节，最后再细调主电路输出的方式，实现了宽电压范围的输出，使最终输出电流值精度更高且稳定。
实施例1
在一示例性实施例中，如图1所示，提供一种可多级调节的电流源装置，包括可编程直流电源、控制单元、主电路和检测单元，所述可编程直流电源输出直流电至所述主电路，所述主电路输出交流电至负载，所述控制单元分别与所述可编程直流电源、主电路和检测单元，所述检测单元还与负载连接；
所述控制单元包括：
第一处理器，与所述可编程直流电源连接，用于对可编程直流电源的输出电压进行一级电压调节，并输出与一级电压调节相关的指令设置信号；
第二处理器，用于接收指令设置信号，并根据指令设置信号对主电路进行二级频率调节，使得所述主电路输出特定频率的交流电至负载；
所述检测单元用于在二级频率调节后检测负载的反馈参数；
所述第二处理器还用于接收所述反馈参数，并根据反馈参数对主电路进行三级电压调节。
具体地，如图2所示，整个电流的调节过程分为3个步骤进行，先“粗调”，接着频率调节，最后再“细调”。“粗调”是指根据设置的输出电流值和频率值，第一处理器计算出可编程直流电源输出直流电压的最大值并下发指令设置，即完成一级电压调节。
然后第二处理器按设定频率值计算生成特定周期的正弦脉宽调制信号，控制主电路输出设定频率的交流电，即完成二级频率调节，二级频率调节后使用检测单元检测负载上的电流信息，二级调节针对频率调节因为在此过程中需要将直流电转换成预设特定频率的交流电，测试负载的阻抗模随着频率变化，调节频率。
为了达到恒流的效果，输出电压也需要相应变化，因此在上一步调节频率后，测试负载的阻抗模发生变化，需要进一步调节输出电压，所以，需要进行三级电压调节即“细调”，“细调”是指第二处理器根据二级频率调节后负载上的电流信息与设定电流值的差值，计算出特定占空比的脉宽信号，进一步精细化主电路的输出，即完成三级电压调节，使最终输出电流值或电压值精度更高且稳定。
实施例2
在另一示例性实施例中，如图3所示，所述主电路包括依次串联的降压斩波电路和全桥逆变电路，所述全桥逆变电路与所述第二处理器连接，用于进行二级频率调节，所述降压斩波电路与所述第二处理器连接，用于进行三级电压调节。
进一步地，所述主电路还包括升压变压器，所述升压变压器连接在全桥逆变电路和负载之间。
所述降压斩波电路包括第一输入电容Cin1、第一三极管Q1、第一电感L1、第一二极管D1和第一输出电容C1，第一输入电容Cin1一端与可编程直流电源正极连接，第一输入电容Cin1另一端与可编程直流电源负极连接，第一三极管Q1的集电极连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源正极之间的公共连接点上，第一三极管Q1的发射极与第一二极管D1的负极连接，第一二极管D1的正极连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源负极之间的公共连接点上，第一输出电容C1的一端连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源负极之间的公共连接点上，第一输出电容C1的另一端与全桥逆变电路连接，第一电感L1的一端与第一二极管D1的负极连接，第一电感L1的另一端连接在第一输出电容C1与全桥逆变电路之间的公共连接点上；
所述全桥逆变电路包括第二输入电容Cin2、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第二电感L2和第二输出电容C2，第二输入电容Cin2并联在第一输出电容C1的两端，第二三极管Q2的集电极与第二输入电容Cin2一端连接，第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的集电极连接，第三三极管Q3的发射极与第二输入电容Cin2的另一端连接，第四三极管Q4的集电极连接在第二三极管Q2与第二输入电容Cin2之间的公共连接点上、第四三极管Q4的发射极与第五三极管Q5的集电极连接，第五三极管Q5的发射极连接在第三三极管Q3与第二输入电容Cin2之间的公共连接点上，第二输出电容C2的一端连接在第二三极管Q2与第三三极管Q3之间的公共连接点上，第二输出电容C2的另一端与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端连接在第四三极管Q4与第五三极管Q5之间的公共连接点上；
所述升压变压器包括变压器T1，所述变压器T1连接在第二输出电容C2的两端，所述第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5上均连接有二极管。
具体地，所述一级电压调节包括：
所述第一处理器根据设定的输出电流值和输出频率值，计算出可编程直流电源输出直流电压的最大值。
所述二级频率调节包括：
所述第二处理器根据设定的输出频率值计算生成特定周期的正弦脉宽调制信号，并根据特定周期的正弦脉宽调制信号控制全桥逆变电路输出设定频率的交流电。
所述三级电压调节包括：
所述第二处理器根据所述反馈参数与设定的输出电流值的差值，计算出特定占空比的脉宽信号，并根据特定占空比的脉宽信号调节降压斩波电路的输出电压。
降压斩波电路将可编程直流电源的输出直流电进行二次精准降压调节后输出给全桥逆变电路，全桥逆变电路将降压斩波电路输出的直流电转换成预设特定频率和大小的交流电。升压变压器将交流电电压按匝比进行升高，提升输出电压的同时使系统输入输出实现全隔离，更加安全。
实施例3
在另一示例性实施例中，如图4所示，所述控制单元还包括隔离负压驱动模块，所述隔离负压驱动模块连接在所述第二处理器和主电路之间。所述第一处理器采用ARM控制器，第二处理器采用数字信号处理器。
所述检测单元电流和/或电压传感器。所述控制单元还包括数模转换模块，所述数模转换模块连接在所述第二处理器和检测单元之间。
进一步地，所述数模转换模块包括一个数模转换芯片，第二处理器通过串行外设接口与所述数模转换芯片连接。
具体地，如图4所示，控制系统的核心是第二处理器，负责需要实时处理的外围电路部分，第一处理器负责人机交互和实时性要求低的外围设备，第一处理器控制可编程直流电源的输出、散热风扇的转速、人机交互及与第二处理器的通信。第二处理器发出的脉宽信号被隔离驱动模块功率放大后，分别实现对降压斩波电路和全桥逆变电路的控制。隔离负压驱动模块在实现强电与控制系统电气隔离的同时还增强了控制系统的抗信号干扰串扰能力。
高精度的电流传感器采集到电流数据，将电流信号转换为电压信号传输到具有16位数据精度、500kHz采样率及支持正负电压采集的数模转换芯片中，第二处理器通过串行外设接口与数模转换芯片通信，读取瞬时电压信号，通过数据处理转化为瞬时电流信号，将一个正弦波周期内的离散电流信号进行计算，得到电流有效值Irms为：
Figure BDA0003090266080000101
式中：N为一个正弦波周期内的采样点数；m为第m次采样计数值；im为第m次采样的瞬时电流值。
第一处理器计算出可编程直流电源输出直流电压的最大值并下发指令设置。然后第二处理器按设定频率值计算生成特定周期的正弦脉宽调制信号，信号通过隔离负压驱动模块放大后，控制全桥逆变电路输出设定频率的交流电。“细调”是指第二处理器根据电流传感器的反馈值与设定电流值的差值，计算出特定占空比的脉宽信号，信号通过隔离负压驱动模块放大后，进一步精细化调节降压斩波电路的输出电压，使最终输出电流值精度更高且稳定。
进一步地，下表给出了电流源频率稳定度测试结果：
Figure BDA0003090266080000102
Figure BDA0003090266080000111
随机设定6组不同的输出频率值，对每组输出频率进行3次随机测量，并计算出正弦电流波形的平均频率，平均相对误差，最大相对误差，结果如表1所示。测试结果表明：电流源工作正常，输出正弦波电流信号频率较稳定，输出频率相对误差小于0.5％，频率范围可达50Hz～1200Hz，频率步进可达10Hz。
进一步地，下表给出了不同设定频率及不同设定电流下的电流总谐波失真情况：
Figure BDA0003090266080000112
在大部分的频率下，电流源输出的电流信号总谐波失真小于3.5％，电流误差小于0.1％。
数字信号处理器根据人机交互设定的电流，将电流误差采用两级PID算法进行计算，通过负压驱动电路对降压斩波电路进行控制。由欧姆定律得到，电压需要随着负载变化，使两者相除得到恒定的电流值，因此电流的恒流问题就转化为了电压随负载变化的控制问题。而测试负载的阻抗模随着频率变化，ARM控制器根据设定的频率和电流值，通过单级的开环比例计算，得到可编程直流电源需要输出的电压和电流，将其作为降压斩波电路的输入，再由数字信号处理器根据电流传感器的反馈值与期望电流值的差值，进行PI调节，经过逆变升压后的电压信号最终输出到测试负载上，达到变频恒流的目的。
在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可多级调节的电流源装置，包括可编程直流电源、控制单元、主电路和检测单元，所述可编程直流电源输出直流电至所述主电路，所述主电路输出交流电至负载，所述控制单元分别与所述可编程直流电源、主电路和检测单元连接，所述检测单元还与负载连接，其特征在于：
所述控制单元包括：
第一处理器，与所述可编程直流电源连接，用于对可编程直流电源的输出电压进行一级电压调节，并输出与一级电压调节相关的指令设置信号；所述一级电压调节包括：所述第一处理器根据设定的输出电流值和输出频率值，计算出可编程直流电源输出直流电压的最大值；
第二处理器，用于接收指令设置信号，并根据指令设置信号对主电路进行二级频率调节，使得所述主电路输出特定频率的交流电至负载；
所述检测单元用于在二级频率调节后检测负载的反馈参数；
所述第二处理器还用于接收所述反馈参数，并根据反馈参数对主电路进行三级电压调节；
所述主电路包括依次串联的降压斩波电路和全桥逆变电路，所述全桥逆变电路与所述第二处理器连接，用于进行二级频率调节，所述降压斩波电路与所述第二处理器连接，用于进行三级电压调节；其中，所述二级频率调节包括：
所述第二处理器根据设定的输出频率值计算生成特定周期的正弦脉宽调制信号，并根据特定周期的正弦脉宽调制信号控制全桥逆变电路输出设定频率的交流电；
所述三级电压调节包括：
所述第二处理器根据所述反馈参数与设定的输出电流值的差值，计算出特定占空比的脉宽信号，并根据特定占空比的脉宽信号调节降压斩波电路的输出电压；降压斩波电路将可编程直流电源的输出直流电进行二次精准降压调节后输出给全桥逆变电路，全桥逆变电路将降压斩波电路输出的直流电转换成预设特定频率和大小的交流电；
所述主电路还包括升压变压器，所述升压变压器连接在全桥逆变电路和负载之间；所述控制单元还包括隔离负压驱动模块，所述隔离负压驱动模块连接在所述第二处理器和主电路之间，分别实现对降压斩波电路和全桥逆变电路的控制，其中，第二处理器按设定频率值计算生成特定周期的正弦脉宽调制信号，信号通过隔离负压驱动模块放大后，控制全桥逆变电路输出设定频率的交流电；第二处理器根据电流传感器的反馈值与设定电流值的差值，计算出特定占空比的脉宽信号，信号通过隔离负压驱动模块放大；
所述电流源装置输出的电流信号总谐波失真小于3.5％，电流误差小于0.1％。
2.根据权利要求1所述的一种可多级调节的电流源装置，其特征在于：
所述降压斩波电路包括第一输入电容Cin1、第一三极管Q1、第一电感L1、第一二极管D1和第一输出电容C1，第一输入电容Cin1一端与可编程直流电源正极连接，第一输入电容Cin1另一端与可编程直流电源负极连接，第一三极管Q1的集电极连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源正极之间的公共连接点上，第一三极管Q1的发射极与第一二极管D1的负极连接，第一二极管D1的正极连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源负极之间的公共连接点上，第一输出电容C1的一端连接在第一输入电容Cin1与可编程直流电源负极之间的公共连接点上，第一输出电容C1的另一端与全桥逆变电路连接，第一电感L1的一端与第一二极管D1的负极连接，第一电感L1的另一端连接在第一输出电容C1与全桥逆变电路之间的公共连接点上；
所述全桥逆变电路包括第二输入电容Cin2、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第二电感L2和第二输出电容C2，第二输入电容Cin2并联在第一输出电容C1的两端，第二三极管Q2的集电极与第二输入电容Cin2一端连接，第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的集电极连接，第三三极管Q3的发射极与第二输入电容Cin2的另一端连接，第四三极管Q4的集电极连接在第二三极管Q2与第二输入电容Cin2之间的公共连接点上、第四三极管Q4的发射极与第五三极管Q5的集电极连接，第五三极管Q5的发射极连接在第三三极管Q3与第二输入电容Cin2之间的公共连接点上，第二输出电容C2的一端连接在第二三极管Q2与第三三极管Q3之间的公共连接点上，第二输出电容C2的另一端与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端连接在第四三极管Q4与第五三极管Q5之间的公共连接点上；
所述升压变压器包括变压器T1，所述变压器T1连接在第二输出电容C2的两端，所述第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5上均连接有二极管。
3.根据权利要求1所述的一种可多级调节的电流源装置，其特征在于：所述检测单元为电流和/或电压传感器。
4.根据权利要求1所述的一种可多级调节的电流源装置，其特征在于：所述控制单元还包括数模转换模块，所述数模转换模块连接在所述第二处理器和检测单元之间。
5.根据权利要求4所述的一种可多级调节的电流源装置，其特征在于：所述数模转换模块包括一个数模转换芯片，第二处理器通过串行外设接口与所述数模转换芯片连接。
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