基于TMS570的数控高精度电流源设计与实现

杨启帆，曹 琳，雷文龙

（中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

电流源作为一种常用的电路单元，广泛地应用于电机控制、电磁阀控制以及传感器激励等设计。本文介绍的数控高精度电流源用于某民用飞机空气管理系统综合控制器中控制力矩电机，该力矩电机主要用于气源系统左、右发动机阀门控制以及机翼防冰系统中机翼防冰活门的控制，因此对控制精度、响应速度、电流稳定性以及过流保护都有很高的要求。同时由于力矩电机可能随着飞机的升级而变化，因此需要尽可能地消除负载变化带来的影响。本文提供的恒流源设计以仿真为基础，通过实际试验测试很好满足了该型控制器的需求。

1 硬件电路设计

本文介绍的电流源以控制器TMS5703137为核心，通过SPI总线控制外部DAC芯片产生可变电压参考，驱动后端改进型Howland电流源电路，通过反馈电路硬件设计配合软件中断控制实时保护电流源，电路框图如图1所示[1,2]。

图1 电流源设计框图

该控制器恒流源的具体要求如下：电流范围为0～300 mA，在20～300 mA范围内，电流精度＜±5 mA；电流分辨率≤0.3 mA；过流保护范围为（860±140）mA。一旦发生短路立即触发短路保护（非熔断形式的短路保护）。短路后启动条件为故障清除、控制器冷启动以及人工启动。

1.1 DAC输出电路

为了保证电流分辨率≤0.3 mA，选用ADI公司的AD5443芯片。该芯片为12 bit电流输出模数转换器，供电范围为2.5～5.5 V，基准源电压范围为±10 V，输出电压建立时间＜160 ns，接口延迟时间＜75 ns，精度为±0.5 LSB[3]。在单极性模式下，该DAC输出电压计算为：

式中，D为载入DAC的数字（范围为0～4 095），Vref为 5 V。

由式（1）可知，输出电压极性与直流基准电压Vref极性相反[4]。为了获得正电压输出，可以通过反向放大器的输出反转电压，但是由于反向放大器配置的电容和电阻存在误差，因此可以选用向DAC输入施加负基准电压的方式。为了生成负电压基准，使用运算放大器对基准电压进行电平转换，使基准电压源Vout引脚虚拟接地，且基准源的GND引脚为-5 V。DAC输出框图如图2所示。

图2 DAC输出框图

该DAC为12 bit高带宽数模转换器，器件精度为±0.5 LSB。

1.2 改进型Howland电流源电路

传统Howland电路由运放和4个匹配电阻组成，受限于运放输出能力的限制，无法提供大电流，同时匹配电阻的比例直接影响电流源的精度，匹配反馈电阻阻值过大会影响建立速度[5-7]。此外，在部分应用中，由于无法确定具体负载大小，负载的变化也将影响电流源的输出精度和稳定性。

改进型Howland电路使用达林顿电路扩展运放的输出能力，提升电流源输出电流大小，解决运放输出能力的限制。当外部电阻匹配情况下，可以忽略负载对电流源的影响，具体电路如图3所示。

图3 改进型Howland电流源框图

输出电流为：

当电阻完全匹配，RG1=RG2=RG，RF1=RF2=RF且R1=R2=R时，输出电流为：

由式（3）所示，输出电流不随负载而变化，同时该控制器恒流源输出电流最大为1 A，考虑后端监控电流电阻功率要求，选择RG=100 kΩ，RF=100 kΩ，R=0.5 Ω。此时输出电流范围为0～1 A+0.05 mA，为保证输出电流的准确性，需要在软件上校正的误差。

当Vout=1.5 V时，此时输出的电流为300 mA，当电阻选用公差为0.5%时，Iout的最大值为：

Iout的最小值为：

电流分辨率为：

1.3 电流监测保护电路

为实时监控电流源输出电流值，保证输出过流情况下及时关闭输出，有效保护左、右发动机阀门以及防冰活门。电流监测保护电路通过软件和硬件独立控制，将电流回路的电流经过分流电阻Rsense转换成相应的电压信号，再通过运放将电压信号进行适当比例的调整，分别送入TMS570内部集成的模数转换器和迟滞功能比较器。比较器的结果送入到TMS570的外部中断管脚，从而完成软件和硬件的控制，具体电路如图4所示[8,9]。

回采的Vabc信号通过软件比较可以禁止DAC输出，同时当Vabc大于Vref时，输出的使能信号同TMS570输出的使能信号做与逻辑后通过硬件直接关断DAC输出。

2 测试验证

为了验证电流源的输出精度，将10 Ω和30 Ω电阻负载接入到输出端，在输出0～1 A情况下通过高精度万用表测得对应的输出电压值，并通过TMS570内置模数转换器计算出回采电压值[10]。测试数据如表1所示。

测试结果表明，该电流源通过上位机软件可以实时控制，并且按照设定值正常输出稳定的电流源。通过上表可知，在20～300 mA范围内时，电流精度＜±5 mA，同时在改变负载电阻的情况下，该电路依旧可以稳定输出相对应的电流值，满足设计需求。

3 结 论

本文以实际工程应用为基础，重点讨论了改进型Howland电流源电路。基于TMS570控制的电流源从根本上解决了输出负载对电流源的影响，提高了电流源的稳定性。通过软硬件反馈电路实时监控电流源输出，极大地提高了电流源的安全性。测试证明，精度和分辨率等参数都满足该控制器电流源需求，具有较为广阔的市场前景和使用价值。