郑芳菲

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆　400039）



基于PWM控制技术的高精度电流环设计方法研究

郑芳菲

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

摘要：结合煤矿安全监控系统中传感器技术现状，提出一种基于PWM控制技术的电流环的设计方法，详细介绍其设计原理，从理论上分析电流信号高精度输出的修正方法。

关键词：电流环；PWM；修正

在煤矿安全系统中，因频率量信号的输出和采集的软、硬件成本低廉，频率制式传输方式（如200～1 000Hz）被广泛应用。煤矿井下电磁环境异常复杂，采煤机、输送机等电气设备在运行状态下都会产生强烈的电磁干扰，而频率型电压调制信号抗干扰能力较差，容易造成安全监控系统信号中断、冒大值等现象。4～20mA电流环数据传输方式具有抗干扰能力强、数据传输准确的特点，是工业控制领域数据传输的标准通信方式，在工业控制领域应用非常普遍［1］。

基于此，结合煤矿安全监控系统中传感器技术现状，提出了一种基于PWM数字控制技术的低成本电流环设计方法，并实现了电流环信号的高精度输出。

1　4～20mA电流环

4～20mA信号制是国际电工委员会（IEC）制定的过程控制系统用模拟信号标准。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警下限。这种信号制式传输的距离长，且不需考虑噪声、线长、压降和线路阻抗等的影响，从而使电路传输稳定性能大大提高。图1为典型的电流环基本组成图，其包括传感器、发送器、接收器和电流源。传感器用来测量某一物理参数（如瓦斯浓度、温度、压力等），并提供相应的输出电压。发送器将传感器的输出电压成比例地转换为4～20mA的直流电流。接收器接收4～20mA的电流并将其转化为相应的电压，以备处理［2］。

2　基于PWM控制技术的电流环设计

2.1基本原理

PWM（脉冲宽度调制）方式是目前大多数微控制器（MCU）基本配置，分辨率一般都在8位以上。应用固定周期、占空比可调制的PWM方波信号，采用模拟低通滤波器滤掉PWM输出的高频部分，保留直流分量，即可得到对应的D/A转换输出，低通滤波器的带宽决定了D/A转换器的带宽的范围。采用PWM方式实现D/A变换的硬件电路简单，如图1所示，通过简单的R-C低通滤波电路即可精确将数字信号转换为高精度的模拟电压信号，且PWM的分辨率越高，模拟电压信号越精确［3］。

电流环本质上是实现电压-电流转换的模拟量转换电路，即V-I变换。结合PWM方式的D/A变换的硬件电路，即可实现数字方式控制输出高精度电流环信号。

图1 PWM实现D/A变换的基本原理

2.2PWM实现D/A转换的理论分析

图2所示的PWM信号可以用分段函数表示为：

其中：T是单片机中计数脉冲的基本周期，即单片机每隔T时间记一次数（计数器的值增加或者减少1）；N是PWM波一个周期的计数脉冲个数；n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲序号；VH和VL分别是PWM波中高低电平的电压值；k为整个周期波序号；t为时间［4］。

图2 PWM信号示意图

为了对PWM信号的频谱进行分析，以下提供了一个设计滤波器的理论基础。傅里叶变换理论指出，任何一个周期为T的连续信号，都可以表达为频率是基频的整数倍的正、余弦谐波分量之和。把式（1）所表示的函数展开傅里叶级数，得到式（2）。

从式（2）可以看出，式中第一个方括弧为直流分量，第二项为第一次谐波分量，第三项为大于一次的高次谐波分量。式（2）中的直流分量与n从0到N，直流分量在VL～VL+VH变化，这正是电压输出的D/A转换器所需要的。因此，如果能把式（2）中除直流分分量的谐波过滤掉，则可以得到从PWM波到电压输出D/A转换器的转换，即PWM波可以通过一个低通滤波器进行调解。式（2）中的第二项的幅度和相角与n有关，频率为1/NT，该频率是设计低通滤波器的依据。如果能把1次谐波很好地过滤掉，则高次谐波应基本不存在［5］。

根据上述分析可以得到如图3所示的从PWM到D/A转换器输出信号处理方块图，根据该方块图可以有许多电路实现方法，在单片机的应用中还可以通过软件的方法进行精确度调整和误差的进一步校正。

图3 从PWM到D/A转换器

2.3电流环设计

电路图如图4所示。单片机输出PWM波（这里建议用STC12C5A32S2单片机中的16位高速比较模块来产生这样比较容易产生16位的PWM波，比用定时器要容易精确度要高）驱动IRF530（其典型导通电阻为0.16Ω，而截止电阻却非常大，这里必须选择导通电阻小的NMOS管，否则导通的时候VGS不可忽略），与IRF530并联的是基准电压LM336-5V（实际中由于单片机的输出电压并不稳定，所以在用了基准电压源LM336-5V来产生稳定的高电平5V），在IRF530截止的时候，PWM的高电平稳定的等于5V。OUT点的PWM波，经过R1、C1和R2、C2的两级的阻容滤波，其截止频率f0和一阶阻容滤波的截止频率是一样的，即

在经过LM358组成的电压跟随放大器（这里必须要用LM385电压跟随一下，利用运算放大器的输入电阻非常大，否则输出电压会有衰减，并且截止频率就不是刚刚的计算方法）放大得到了直流分量。

3　电流环信号精度修正方法

PWM到D/A转换器输出的误差来源受两方面制约：决定D/A转换器分辨率的PWM信号的基频和没有被低通滤波器滤除的纹波。

在D/A转换器的应用中，分辨率是一个很重要的参数，分辨率计算直接与N和n的可能变化有关，计算公式如下：

其中，RBits是分辨率，nmin是指n的最小变化量（见表1）。

由表1可以看出，N越大，D/A转换器的分辨率越高，但是NT也越大，PWM的周期也就越大，即PWM的基频降低。但是，基频降低，式（4）中的1次谐波周期也就越大，相当于1次谐波的频率也越低，也就会有更多的谐波通过相同的带宽的低通滤波器，需要截止频率很低的低通滤波器，造成输出的直流分量的纹波更大，导致D/A转换器转换的分辨率降低，D/A转换器输出滞后也将增加。所以，单纯降低PWM信号的频率也不能获得较高的分辨率。一种解决方法就是使T减小，即较小单片机的计数脉冲宽度（这往往需要提高单片机的工作频率），在不降低1次谐波频率的前提下提高精度。实际上，T较小受到单片机时钟和PWM后续电路开关特性的限制。如果在实际中需要微妙级的T，则后续电路需要选择开关特性很好的器件，以减小PWM波形的失真。

通过以上分析可知，基于PWM输出的D/A转换器转换输出的误差，取决于通过低通滤波器的高频分量所产生的纹波和PWM信号的高电平稳定度两方面。为获得最佳的D/A转换器转换效果，在选取PWM信号的频率时要适当的折衷，太小，分辨率高，但滤波器需要更低的截止频率，同时限制了输入PWM信号的变化频率；太小，则分辨率下降。

图4 实际电路设计

表1 PWM分辨率

4　结语

该文提出一种基于PWM控制技术的电流环的设计方法，并分析了信号输出精度的修正方法。通过实际电路测试，该方法在降低了硬件成本的技术上，可以提供可靠、高精度的电流环信号。

参考文献：

［1］孙继平.煤矿安全生产监控及通信技术［J］.煤炭学报，2010（11）：1925-1930.

［2］汤朝明.矿用传感器频率信号传输研究［J］.工矿自动化，2013（8）：35-38.

［3］沈利荣，孙广，宋楠.基于4～20mA电流环的井下供电与信号传输方案研究［J］.仪表技术与传感器，2013（3）：96-98.

［4］王立华，韩敬东，邵玉芹，等.基于DSP的4～20mA电流环的设计［J］.工矿自动化，2008（2）：121-123.

［5］吕津，韩震宇，汪炼.一种对20mA电流环的改进方法［J］.中国测试技术，2003（2）：37.

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0134-03

收稿日期：2016-02-07

作者简介：郑芳菲（1982-），本科，研究方向：煤炭科研开发及管理。

Research on High Precision Current-loop Design Method Based on PWM

Zheng Fangfei
（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract:In combination with the status of sensor technology in coal mine safety monitoring system,a de⁃sign method of current loop based on PWM control technology was proposed.In this paper,the design prin⁃ciple was introduced in detail,and the correction method of the high precision output of the current signal was analyzed theoretically.

Keywords:current-loop；PWM；correction