摘 要

作为直流电源的分支，直流电流源一直被广泛的应用于科学研究、测试计量部门、航空航天和汽车电子等领域。本文研究内容是基于汽车减震的需要，设计了一款对输入控制信号反应迅速的数字化电流源。

本文首先大概的说明了电流源的研究现状和今后的发展趋势，然后介绍了电流源的理论基础和总体设计思路，之后用较大篇幅章节详细阐述了数字化电流源的硬件、软件设计方案及过程。其中采用DC/DC变换器中的同步Buck组成全桥电路作为开关电路，驱动方式选择双路PWM。有检流模块进行反馈形成闭环，有过流检测反馈形成保护。并设计了供电电路，在输入仅有24V直流电压时，实现对所有模块的供电。软件设计中使用增量式PID算法进行闭环控制，并设计算法解决了PID算法中积分饱和缺陷，防止电路出现积分饱和后需要长时间回复，提高电路的速度与精度。

最后测试电流源的性能，做出总结并给出改进建议。

关键字：同步Buck；电流源；PID；STM32

Abstract

As a branch of DC power supply, DC current source has been widely used in scientific research, metrology and testing departments, aerospace and automotive electronics and other fields. The research content of this paper is based on the need of automobile shock absorption, and a digital current source which responds rapidly to the input control signal is designed.

In this paper, the current research status and development trend of current source are described. Then the overall design and theoretical basis of the current source are introduced. Then the hardware and software design scheme and process of the current source are described in detail. The synchronous Buck in the DC/DC converter is used as the full bridge circuit as the switch circuit and the driving mode selects the dual PWM. There are check modules to form feedback loops, and overcurrent detection feedback forms protection. And a power supply circuit is designed to supply all the modules when only 24V DC voltage is input. In the software design, the incremental PID algorithm is used for closed loop control. The design algorithm solves the integral saturation defect in the PID algorithm and prevents the circuit from taking a long time recovery after integration saturation to improve the speed and precision of the circuit.

Finally, the performance of the current source is tested and summarized, and suggestions for improvement are given

Key Words: Synchronous buck；Current source；PID；STM32

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 发展趋势和研究现状 1

1.2.1 电流源的研究现状 1

1.2.2 电流源发展趋势 2

1.3 课题研究目标和内容 3

1.3.1 课题研究目标 3

1.3.2 课题研究内容 3

1.4 本文的结构和安排 4

第2章 数字电流源总体方案设计 5

2.1 电流源总体概述 5

2.1.1 设计功能要求 5

2.1.2 数字电流源外部接口 6

2.1.3 电流源整体框图 6

2.2 数字电流源各模块功能分析 7

第3章 数字化电流源各模块硬件设计 8

3.1 恒流源模块硬件设计 8

3.1.1 方案选择 8

3.1.2 恒流源硬件电路 15

3.2 电流源辅助电路设计 19

3.2.1 输入分压 19

3.2.2 单片机电路 20

3.2.3 供电电路 20

第4章 数字电流源软件程序设计 23

4.1 软件结构设计 23

4.1.1 软件结构框图 23

4.1.2 软件流程图 23

4.2 ADC和PWM程序设计与实现 25

4.2.1 ADC和PWM参数配置 25

4.2.2 ADC数字滤波算法程序 25

4.2.3 设定电流值与反馈电流值的计算 26

4.3 PID算法 27

4.3.1 PID原理 27

4.3.2 PID算法离散化 28

4.3.3 PID算法实现 29

第5章 数字化电流源测试 31

5.1 直流输入测试 31

5.2 交流输入测试 32

第6章 总结与展望 35

6.1 总结 35

6.2 展望 35

参考文献 36

致谢 37

绪论

研究背景及意义

在电子技术飞速发展的今天，电源作为电子设备的心脏，是电子设备必不可少的一部分，已经被广泛的应用在科研、计量测试、生活民用等各种场合^[1]。传统电源体积大、精度低、效率差，在使用过程中有许多的弊端。体积大重量大使得生产出来的产品笨重，就算是分立电源也会限制产品的使用；精度低限制了传统电源的应用场合，特别是限制了其在高精尖科技方面的应用；效率低造成能量的浪费，这些都是电子设备发展过程中要解决的问题。如今仅有少数场合使用一些效率低下的低纹波线性电源，大多数工程中已经用高性能开关电源或数字电源替代传统线性电源。

数字化电源是电源的一个分支。随着单片机的普及，以及单片机性能的提升，为数字化电源的发展提供了有利的条件，以开关电源、直流电源理论为硬件基础，与微处理器、数/模转换模块进行结合，在加上软件上对电路的流程控制，使直流电源有着传统电源的稳定以及软件优化带来的速度上的提升；同时，可以应用现代控制理论设计出一套高效的控制算法，从软件上带来精度上面的提升，这是传统电源所没有的，使数字化电源具有高精度、高效率和高速度。并且在调试和更改方面，由于有软件编程的原因，数字化电源有着天然的优势，所以数字化电源的应用也逐渐增多^[1]。其中，数字化电流源在汽车减震中的应用就是其中之一。

在生活水平日益提高的今天，人们对于汽车的要求不仅仅是容量与速度，驾驶舒适度也是一大需求，所以汽车厂商们也纷纷驾驶舒适度上下功夫，再加上电流变阻尼器的发展和应用^[3]，使得电流源器件能够应用在汽车减震领域。本文就是基于汽车减震的需要产生的。由于单片机速度快的特点，对于震动能做出快速的反应，及时的输出对应电流，达到比较好的减震效果。并且随着电流变阻尼器的应用扩展，本文的研究内容还将应用在汽车减震以外的领域。

发展趋势和研究现状

电流源的研究现状

数字化电源是在开关电源和单片机技术的发展下发展的。开关电源最早起源可以追溯到20世纪50年代初，美国宇航局（NASA）为搭载火箭，提出电源要以更小、更轻量化为目标，并进行了开发，制作出了最早的开关电源，经过20多年的发展，电子设备中开关电源的身影渐渐的增多，有超过传统电源的痕迹 。

到1980年代，计算机首先完成了电源的全面开关化，完成了计算机电源的更新换代。再到1990年代，开关电源的应用更为广泛，不单单是在电子设备领域，电器设备、家电等领域都出现了开关电源的身影，开关电源进入了快速发展时代。

经过几十年的发展，开关电源技术相比从前有了较大突破，同时半导体器件性能的提升，使得开关电源逐渐向高频化发展；软开关技术的出现使高频化有实现的机会，处理器的发展也使得开关电源的控制电路变得简单，同时还减小了电源的体积，提升了效率。

目前，电源往集成方向发展是未来的主要趋势，这会使得电源的功率密度加大，也就对制作工艺提出了更高的要求，但是这要求半导体材料和磁性材料技术出现较大的突破，否则开关电源技术集成化实现的机会渺茫。在这之前提高电源的效率和减小重量将会是电源技术研究的重点，目的大致可说为为了使电源频率更高、效率更高、精度更好、重量更轻，以及与微处理器结合下的多功能化。开关损耗、开关时间带来的限制开关电源频率的问题使人们对谐振式开关电源越来越关注，这也是目前主流的开关电源的发展方向之一。其目的是为了是想办法让开关管实现零电流开关或者是零电压开关,以消除电压电流重叠，从而达到提高频率、减小噪声、降低功耗的目的^[4]。

数字化电源的发展呈上升趋势。特别是在现在单片机技术发展迅速的今天，数字化电流源的市场占有率有明显的提升，国内外不同的电源厂商都相继推出了优秀的电流源产品。但是总体研发实力还是国外领先国内，电流源种类多、功能强大、精度高。相比较之下国内的研发投入就不如国外，主要的用户是低中端用户，但面对国外市场的压力还有高昂的价格，也是有几个知名厂商相继研究出高性能的产品。其中TD2010就是一套直流大电流高性能的设备，它是由长沙天恒测控技术有限公司研制，单台机器可达600A的最大输出电流， 可根据需要自由配置。

电流源发展趋势

根据电流源的研究现状，我们可以判断出电流源的发展趋势必定是往数字化，智能化，多功能化等方面去发展，下面将对这几个方面进行详细的阐述。

1.数字化

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