基于CPLD的三相工频可控恒流源设计

陈聪伟，华　猛，刘传洋，肖金球

（苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009）

基于CPLD的三相工频可控恒流源设计

陈聪伟，华猛，刘传洋，肖金球*

（苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009）

为了弥补市场现有恒流源输出精度低、范围小等缺陷，设计了基于CPLD的三相工频可控恒流源。运用多量程切换思想，以CPLD为主控器，运用功率放大电路及HOWLAND转换模块实现恒流源的精确可控输出。测试结果表明，该恒流源输出精度高、功率大、输出范围广且线性可调，具有一定的实际应用价值。

CPLD；多量程切换；工频；恒流源

工频恒流源［1］作为稳定电源的分支，已经广泛应用于电力测试仪表及校验装置中［2-4］。现行市场上的恒流源多为DDS合成［5-6］，使用截止频率稳定电路和浮动负载电流源电路实现，其存在输出精度低、输出范围小及功率低［7-9］等缺点，难以满足工业要求。

笔者在分析传统恒流源技术的基础上提出了以RC振荡电路作为信号源，CPLD（Complex Programmable Logic Device）为主控单元，运用功率放大电路及HOWLAND转换模块实现恒流源的精确可控输出。与市场上的恒流源相比，该设计成本低廉，且单相输出电流功率高达50 W，稳定性好、精度高，可以很好地满足电力系统的开发、测试及生产要求。

1　电路方案

基于CPLD的三相工频可控恒流源的总体方案如图1所示。主要由控制模块、显示模块、正弦信号产生模块、可控放大模块、移相模块及V-I和功率放大模块构成。信号源采用文氏振荡，产生50 Hz稳定的正弦波信号。信号源产生的正弦波输送到可控放大模块上进行放大，经过移相处理后，最终在电压/电流转换及功率放大模块中实现三相的V-I转换和大功率输出。

设计采用CPLD作为MCU，运用多量程切换、粗细结合的思想，实现宽范围、高精度的恒流输出。V-I模块的限流电阻切换实现粗调，可控放大模块实现细调，粗、细结合控制，便于实际操作，提高输出精度。

图1　三相工频恒流源设计框图

2　硬件电路

2.1CPLD控制模块

CPLD即可编程逻辑器件，其集成度高、编程灵活、使用方便且成本低，已经广泛应用于汽车电子、仪表仪器、航天测控、数控机床等方面。用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能，也可以通过分析时序逻辑，然后编程设计，控制外围电路。CPLD采用并行计算，且时序延迟可预测，能够有效的提高控制精确度，避免出现时序混乱。

设计中Altera公司推出的MAXII系列EPM1270T144C5芯片作为核心控制模块，硬件结构如图2所示。通过JTAG口将程序下载到EPM1270T144C5中，直接控制芯片的内部逻辑单元和I/O口，进而达到对整个三相工频恒流源的控制。外围的按键模块和LCD显示模块是以人机交互为目的，便于操作控制。

2.2可控放大电路

放大模块采用DS1267-010可控数字电位器，其精确度高、控制简易。设计中DS1267作为反馈电阻，利用CPLD编程控制DS1267-010的阻值变化，实现输出电压的调整，电路如图3所示。

R1为数字电位器DS1267的输出阻值。当需要改变恒流源的输出值时，只需编程调整R1的阻值，即可精确控制输出大小，由（1）式可知，输入恒定时，数字电位器R1与输出电压成正比，即可达到线性控制输出的目的。

2.3V-I转换和功率放大电路

HOWLAND电路［9-10］内具有反馈功能，能够维持恒流输出。设计中对该电路进一步研究和改进，用电压跟随电路替代反馈电路，不仅使输出的电流尽可能流到负载上，同时提高了输出质量，使其电路更稳定，有效的实现了V-I的转换。HOWLAND改进电路如图4所示。

电路中的输入Uin和输出Iout的关系式推导［11］

图2　硬件结构框图

图3　DS1267可控放大电路

图4　HOWLAND改进电路图

取R1=R2=R3=R4，因为U2是个跟随电路，则得：u2=up2。

根据叠加原理可得

由虚短、虚断可知un1=up1。即

由式（4）可知，U1输出

式（3）和式（5）联立可得：u01=up2+ui。

代入式（2）得

由（6）式可知，当R0固定不变时，输出电流Iout和Uin是线性相关。即恒流输出与负载阻抗大小无关，输出信号Iout只随输入信号Uin变化。

HOWLAND改进电路的实际输出电流和功率较小，为此在OPA445 U0的输出引脚增加推挽式的功率放大模块，电路如图5所示。功率放大模块选用IRF630和IRF9630功放场效应管。源极漏极相连，形成推挽式功率放大输出，以实现大功率输出。

图5中，当电路输入端Uin变化时，两源极的电位也会随着Uin输入改变。当输入的电压信号为正时，IRF630工作在放大区，进行功率放大，随Uin增大，输出的电流Iout也增大，此时，IRF9630处于截止状态，对输出无影响。同理可知，当输入信号Uin为负时，IRF9630工作在放大区，IRF630处于截止状态。两个MOSFET进行互补工作，实现推挽放大。

2.4多量程切换电路

电流输出Iout范围为0～2 000 mA，运用多量程切换思想，对其进行分段处理即2-20 mA、20-200 mA、200-2 000 mA，运用三个继电器进行量程切换，多量程切换电路如图6所示。按键设置不同量程，切换不同限流电阻，设置200-2 000 mA范围时，R01工作，R02与R03不工作；20-200 mA范围时，R02工作；2-20 mA范围时，R03工作。

图5　HOWLAND和功率放大电路图　

图6　多量程切换电路

3　软件设计

3.1软件开发流程

该设计使用的芯片是EPM1270T144C5，需要Altera推出的Quartus II作为开发工具。Verilog HDL语言编写控制程序，设计简单，控制准确。开发流程如下：（1）分析确定方案。首先分析所需功能要求，确定编程方案。（2）设计编程。根据分析的结果和方案，设计编程流程，进行硬件语言描述编程。（3）功能仿真。根据编写的程序进行功能仿真，验证是否能实现所需功能。（4）时序仿真。验证设计项目的逻辑功能和时序关系是否正确。（5）软硬件调试。通过JTAG等方式将程序下载到芯片内进行软硬件调试。（6）下载固化。在软硬件联调成功，设计功能实现后，即可将程序固化到芯片。

3.2控制模块软件设计

三相工频可控恒流源控制模块的软件设计主要分为四个模块：键盘检测、DS1267控制、量程切换电路及显示。根据各模块之间的关联及任务时序优先级，其控制流程如图7所示。

图7　控制流程图

4　测试结果

4.1相同负载测试

选用特定大功率同阻值电阻作为负载，通过按键预置不同电流值观测各相输出电流的大小，并对其进行误差分析。测试结果见表1。IA、IB、IC分别是三相恒流源的各相输出测量值。

表1　同负载下的三相恒流值测量

由表1数据可知，设计的可控恒流源在相同负载的情况下，对于0-2 000 mA不同预置电流，其各相输出稳定，随着预置电流的增大，输出误差逐渐减小，且保持＜1%，能很好地满足工业测试中对恒流源精度的要求。

同负载测试下，笔者对预置电流为34 mA，负载为10.2 Ω时的IA、IB两相输出波形进行观察，结果如图8所示，可以清晰的观察到IA、IB输出的波形相位差为120°，且波形失真度小。

图8　预置3 mA的IA、IB两相输出波形

4.2不同负载测试

分别选取5.1 Ω和10.2 Ω作为负载电阻进行测试，在0～2 000 mA内预置相同的电流，对比观察不同负载电阻时的各相输出情况，并记录分析。测试结果见表2。

表2　两种负载下的恒流值测量对比

由表2数据可知，不同负载情况下，各相输出电流恒定，误差较小，不随负载的大小改变。

综上表1、表2可见，恒流源输出结果仍存在较小误差（在误差允许范围内），其主要原因来自取样电阻本身误差，功率运算放大器的非线性误差及工频噪声等，在下阶段研究中，对其进一步改进，将误差最小化。

5　结语

该设计以CPLD作为核心控制器，结合可控放大、V-I转换、功率放大等电路，实现了输出电流连续线性可调。该三相可控恒流源具有精度高、稳定性好、功率大和输出范围宽等特点，可应用于我国50 Hz三相电力系统测试开发中，具有较好的应用前景。

［1］方志成.介绍一种交流恒电流源电路［J］.电子技术，1982（1）：39-40.

［2］杨云飞，谢启，顾启民，等.基于LabVIEW的高精度电流源设计与实现［J］.电器与能效管理技术，2010（8）：50-53.

［3］李匡成，陈涛，王治国.基于LabVlEW的铅酸蓄电池阻抗参数辨识系统研究［J］.电源技术，2009，33（11）：1014-1016.

［4］刘秋军，陈龙娇，赵继敏，等.基于恒频交流电流法的微电阻精密测量系统［J］.仪表技术与传感器，2015（2）：64-66.

［5］黄怡然，李娜.基于DDS技术的交流恒流源设计［J］.电源技术，2011，35（8）：974-975.

［6］刘修文，张昌华，孟劲松.数控低中频交流电流源的设计与实现［J］.电子测试，2013（1）：87-90.

［7］谢志远，贡振岗，杨星，等.一种高稳定数控交流恒流源的设计［J］.电测与仪表，2013，50（3）：102-106.

［8］易艺，郝建卫，李长俊.基于XMEGA的交流电流源的研究与实现［J］.电子技术与应用，2015（2）：139-141.

［9］张骥，汤元会.基于PI调节的高稳定度交流信号源设计［J］.纺织高校基础科学学报，2014，27（2）：267-270.

［10］杨永辉，颜晓嬿，郭恒，等.高精度工频恒流源设计［J］.电测与仪表，2009，46（10）：72-75.

［11］郭玉，赵顺平.一种交流恒流源电路的设计［J］.电子技术，2008，45（12）：46-47.

责任编辑：艾淑艳

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

住房与城乡建设部科学技术项目（2014-K8-050）；苏州科技学院校基金项目（XKZ201507）

陈聪伟（1990-），男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：智能测控技术。*通信联系人：肖金球（1963-），男，教授，硕士，硕士生导师，E-mail：xjq@mail.usts.edu.cn。