基于DC/DC穩(wěn)壓器的大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計(jì)

摘要：分析了數(shù)控制碼系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，討論了數(shù)控系統(tǒng)中兩種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法及三種改進(jìn)方法。綜合分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合制碼系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，提出了一種更適用的數(shù)據(jù)處理新方法。該方法即節(jié)約了系統(tǒng)資源，又提高了制碼速度和工作效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理數(shù)控譯碼制碼系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是指NC程序送入零件緩沖區(qū)之后、插補(bǔ)之前的準(zhǔn)備工作，主要包括譯碼、運(yùn)動軌跡計(jì)算、進(jìn)給速度計(jì)算三部分。選用合理的數(shù)據(jù)處理方法將大幅提高編程的正確性和工作效率，且便于數(shù)據(jù)校對，尤其適合批量零件和有規(guī)律零件程序加工。數(shù)據(jù)處理方法是否合理主要取決于其連續(xù)性、時(shí)間效率和資源占用情況。目前，對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法主要有：資源重疊流水處理的解釋方法、目標(biāo)碼編譯方法、解釋一編譯方法。它們各有優(yōu)點(diǎn)和不足，如在不同的環(huán)節(jié)加快了處理速度，減少了等待時(shí)間，但就整體的連續(xù)性和時(shí)間效率而言，還不夠完善。為了進(jìn)一步提高加工連續(xù)性和加工效率，本文針對各算法的優(yōu)缺點(diǎn)提出了一種新的數(shù)據(jù)處理方法，更加適用于制碼系統(tǒng)的加工處理。

1數(shù)控制碼系統(tǒng)

制碼系統(tǒng)由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在圓形小零件上制碼。零件圓面上需以環(huán)形刻兩組對稱的、由字母和數(shù)字組成的標(biāo)記碼。規(guī)定每個(gè)零件上的標(biāo)記碼字符個(gè)數(shù)相同(取6位字符為例)，即每個(gè)零件加工時(shí)編譯的目標(biāo)碼大小一樣，所占內(nèi)存空間相同。標(biāo)記碼主要有兩部分：整批零件的代號(相同)和每個(gè)零件單獨(dú)的標(biāo)記碼(不同)。刀具上固定需要用到的字母刀和數(shù)字刀，根據(jù)轉(zhuǎn)動刀架和轉(zhuǎn)動零件對準(zhǔn)零件上需要刻碼的位置。所以這三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別用來控制刀架的轉(zhuǎn)動、零件的位置和刀架的深淺。其數(shù)據(jù)處理就是對固定位數(shù)的標(biāo)記碼進(jìn)行譯碼，主要特點(diǎn)是：每個(gè)零件的標(biāo)記碼可作為一個(gè)代碼段來處理；可以針對標(biāo)記碼中整批零件代號相同和各零件代碼不同的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的處理；零件上刻的是兩組完全相同的標(biāo)記碼，即處理的數(shù)據(jù)相同，只是改變了位置；每個(gè)零件加工的銜接速度很快，數(shù)據(jù)處理需要有很好的連續(xù)性。針對制碼系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，結(jié)合各數(shù)據(jù)處理方法，研究出一種建立在已有數(shù)據(jù)處理方法基礎(chǔ)之上、更適用于制碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的方法。

2傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法有解釋方法和編譯方法兩種。

(1)解釋方法

解釋方法是將加工程序整理成某種形式，在加工時(shí)由主控程序順序取出，分析判斷后，進(jìn)行譯碼處理，并對零件加工程序逐條進(jìn)行解釋、插補(bǔ)和控制。這種方法占用內(nèi)存少、操作簡單，但存在難以克服的缺點(diǎn)：各模塊問的控制是順序的，如果對一個(gè)程序的解釋過程較慢而使機(jī)床具有一定的等待時(shí)間，則加工出來的工件就會出現(xiàn)明顯的粗糙度；不易處理各程序間的轉(zhuǎn)接，易形成停頓與過切。

(2)編譯方法

編譯方法是先對加工程序全部編譯，將結(jié)果放到緩沖區(qū)中，當(dāng)開始加工時(shí)，直接啟動插補(bǔ)中斷程序。從緩沖區(qū)中取出編譯好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算并控制加工。這種加工方法的優(yōu)點(diǎn)是加工速度快、效率高；缺點(diǎn)是編譯與加工之間存在時(shí)間間隔。

3改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法

3。1資源重疊漉水處理的解釋方法

針對傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，對傳統(tǒng)的解釋控制進(jìn)行改進(jìn)，即資源重疊流水處理的解釋控制方法。時(shí)間重疊是流水處理的關(guān)鍵。它不僅是CNC裝置處在NC工作方式時(shí)，程序輸入、譯碼、插補(bǔ)和位控加工四個(gè)處理過程的時(shí)間資源重疊，而且譯碼過程所包含的各子過程，即程序裝入、語法檢查、解釋和刀具補(bǔ)償四個(gè)子過程之間也運(yùn)用了時(shí)間資源重疊。

在NC工作方式下。若用t1、t2、t3、t4分別表示程序輸入、譯碼、插補(bǔ)和位控加工四個(gè)子過程的處理時(shí)間，則加工一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間將是t=tl+t2+t3+t4；在數(shù)據(jù)處理的譯碼過程中，tl、t2、t3、t4分別表示程序裝入、語法檢查、解釋和刀具補(bǔ)償四個(gè)子過程的處理時(shí)間，則數(shù)據(jù)處理的總時(shí)間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以傳統(tǒng)的解釋方式順序處理，即第一個(gè)數(shù)據(jù)處理完后再處理第二個(gè)數(shù)據(jù)，則在兩個(gè)程序段的輸出之間將有一個(gè)時(shí)間長度t的時(shí)間間隔，其時(shí)空關(guān)系如圖1(a)所示。這種時(shí)間間隔反映在電機(jī)上就是電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停，反映在刀具上就是刀具時(shí)走時(shí)停。不管這種時(shí)間間隔多么小，時(shí)走時(shí)停在數(shù)控加工中都是不允許的。

采用重疊流水處理技術(shù)可以消除這種間隔，重疊流水處理后的時(shí)間空間關(guān)系如圖1(b)所示。其關(guān)鍵是時(shí)間重疊，即在一段時(shí)間間隔內(nèi)不是處理一個(gè)過程，而是處理兩個(gè)或更多的子過程。經(jīng)過時(shí)間重疊流水處理后，每個(gè)零件程序段的輸出之間、每個(gè)數(shù)據(jù)處理之間不再有間隔，從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)動和刀具移動的連續(xù)性，加快數(shù)控加工的速度。

該方法節(jié)約了系統(tǒng)資源，有效防止了內(nèi)存碎片的形成，適應(yīng)大程序譯碼和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理。

3。2目標(biāo)碼編譯方法

目標(biāo)碼編譯是執(zhí)行一個(gè)零件的加工程序，只需在開機(jī)后首次運(yùn)行時(shí)進(jìn)行編譯，然后將得到的目標(biāo)碼存放在RAM中，下次加工同樣的零件時(shí)，無需再次對原零件程序進(jìn)行編譯，直接執(zhí)行目標(biāo)碼即可，從而減少了每次重新編譯所占用的時(shí)間。

3。3解釋一編譯方法

單純使用傳統(tǒng)的解釋方法或編譯方法都有不可避免的缺點(diǎn)，解釋一編譯方法是將兩種方法相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法。在開始加工前先開辟一段內(nèi)存作為緩沖區(qū)(根據(jù)具體情況分配)，接著一次性編譯若干程序段，直到緩沖區(qū)滿。然后，從緩沖區(qū)中取出已編譯好的程序段進(jìn)行加工處理。這里必須給加工處理完的程序置一標(biāo)志，例如，定義一標(biāo)志位bufflag，初始為False，程序加工處理完后置為True，則當(dāng)所有程序的標(biāo)志位都為True時(shí)清空緩沖區(qū)，繼續(xù)裝入下一批編譯的程序段。譯碼緩沖區(qū)在譯碼進(jìn)程初始化時(shí)被開辟，在譯碼進(jìn)程被殺死時(shí)釋放。在譯碼緩沖區(qū)的生命期間，數(shù)據(jù)被不斷地寫入、修改、讀出與清除。對于某一個(gè)緩沖區(qū)，它不斷地接收新的零件程序段，不斷地被各子進(jìn)程輪流處理。這種將大量加工程序分成若干程序段進(jìn)行編譯加工的方法，可有效減少編譯等待時(shí)間，增加加工效率。

4適用于制碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的新方法

上述幾種數(shù)據(jù)處理方法都有其不足，如資源重疊流水處理解釋方法只是縮短了進(jìn)程間的等待時(shí)間，其解釋階段不如目標(biāo)碼編譯方法效率高，整個(gè)譯碼處理效率不如解釋一編譯方法；目標(biāo)碼編譯方法只是優(yōu)化了編譯階段的數(shù)據(jù)處理；解釋一編譯方法結(jié)合解釋方法和編譯方法，提高了整體數(shù)據(jù)處理效率，但數(shù)據(jù)解釋送緩沖區(qū)階段不如資源重疊流水處理解釋方法效率高，緩沖區(qū)編譯階段又不如目標(biāo)碼編譯方法效率高。[!--empirenews.page--]

綜合分析上述各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為制碼系統(tǒng)研究出一種更優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方法。主要思想是：總體運(yùn)用解釋一編譯方法，開辟一段內(nèi)存作為緩沖區(qū)，先一次性編譯若干代碼段存入緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)滿。然后，從緩沖區(qū)中取出已編譯好的代碼段進(jìn)行加工處理。而在一次性編譯若干代碼段中各條代碼時(shí)，采用資源重疊流水處理的解釋方法進(jìn)行編譯處理。并且在編譯處理時(shí)綜合采用目標(biāo)碼編譯方法，先判斷各標(biāo)志位，如具有相同代碼段，就將該段相同代碼編譯后的目標(biāo)碼存入RAM中，下次處理相同數(shù)據(jù)時(shí)直接調(diào)用RAM中的目標(biāo)碼即可。其數(shù)據(jù)處理過程如下：

(1)定義緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式

根據(jù)零件標(biāo)記碼的固定長度分配一定內(nèi)存空間作為緩沖區(qū)，需兩個(gè)一樣大小的緩沖區(qū)，一個(gè)用來存放若干程序殷(一個(gè)零件的6個(gè)標(biāo)記碼)；另一個(gè)用來存放譯碼結(jié)果。緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

每個(gè)緩沖區(qū)設(shè)置6小塊緩沖區(qū)BUF0～BUF5，用來存放每個(gè)零件的6位標(biāo)記碼，并置相應(yīng)的bufflag為1；6塊緩沖區(qū)滿后，再依次進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼處理，處理結(jié)果放入另一緩沖區(qū)，同時(shí)置相應(yīng)的bufflag為2；當(dāng)6塊緩沖區(qū)全部準(zhǔn)備好(bufflag為2)，則進(jìn)行加工，加工完的標(biāo)記碼所對應(yīng)的緩沖區(qū)就置bufflag為O，繼續(xù)存放下一個(gè)零件標(biāo)記碼。

(2)采用資源重疊流水處理的解釋方法進(jìn)行譯碼

①從第一個(gè)緩沖區(qū)取出第一個(gè)零件標(biāo)記碼進(jìn)行編譯并將結(jié)果放入第二個(gè)緩沖區(qū)中，同時(shí)輸入第二個(gè)零件的標(biāo)記碼。

②從第二個(gè)緩沖區(qū)中取出第一個(gè)零件的編譯結(jié)果對第一個(gè)零件進(jìn)行加工，這時(shí)編譯第二個(gè)零件的標(biāo)記碼放入已空的第二個(gè)緩沖區(qū)中，同時(shí)輸入第三個(gè)零件的標(biāo)記碼。

③第一個(gè)零件加工完畢，繼續(xù)加工第二個(gè)零件，并編譯第三個(gè)零件的標(biāo)記碼，同時(shí)輸入第四個(gè)零件的標(biāo)記碼。

采用重疊流水?dāng)?shù)據(jù)譯碼處理，直到加工完成整批零件。數(shù)據(jù)譯碼處理過程如圖2。

(3)編譯緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)編譯階段，即從第一個(gè)緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯的階段，編譯結(jié)果存入第二個(gè)緩沖區(qū)，采用目標(biāo)碼編譯方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯。由于零件上標(biāo)記碼是兩組對稱的相同代碼且整批零件的代號相同，為了避免重復(fù)編譯相同代碼，在緩沖區(qū)格式中定義了兩個(gè)標(biāo)志位accessorynuml和accessorynum2。accessorynuml是某個(gè)零件單獨(dú)標(biāo)記碼編譯后的目標(biāo)碼標(biāo)志位，為0表示該碼還未編譯或已重復(fù)使用一次；為1表示已編譯存儲，且還未重復(fù)使用。accessorynum2是整批零件代號編譯后的目標(biāo)碼標(biāo)志位，為0表示還未編譯或已重復(fù)使用n次；為n表示第一次編譯存儲，且未重復(fù)使用；為i表示已重復(fù)使用了n-i次(n為整批零件數(shù)，i為1~n間的整數(shù))。當(dāng)acccssorynum1為1時(shí)說明該零件單獨(dú)標(biāo)記碼還要被使用，應(yīng)先保存，下次使用時(shí)可以直接加工而無需再去編譯；由于加工零件是對稱的。所以第二次加工就無需重新編譯而直接加工即可。當(dāng)accessorynum2的值大于O小于n時(shí)，說明該代碼需保存。由于整批零件的代號相同，因此加工每個(gè)零件時(shí)都可以直接調(diào)用第一次編譯好的代號數(shù)據(jù)直接加工。通過accessorynum1和accessorynum2兩個(gè)標(biāo)志位，可以加快數(shù)據(jù)編譯處理速度，有效提高數(shù)據(jù)處理的效率。

當(dāng)一個(gè)零件加工完換下一個(gè)零件時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)零件標(biāo)記碼的數(shù)據(jù)處理，直到加工完整批零件。只有在輸入或編譯下一個(gè)零件，即需要占用兩緩沖區(qū)之一、而上一零件的編譯或加工還沒有處理完時(shí)需要等待，但這種等待是極其短暫的。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，數(shù)控制碼系統(tǒng)中運(yùn)用資源重疊流水解釋方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，一個(gè)零件的制碼時(shí)問需要2。4s；運(yùn)用解釋一編譯方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要2。3s；而運(yùn)用這種新數(shù)據(jù)處理方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，只需要2。0s，比運(yùn)用前兩種方法的教率分別提高了16。7％和13。04％，有效地提高了數(shù)控制碼的速度和效率，且使用至今一直很穩(wěn)定。

這種新的數(shù)據(jù)處理方法適合大量有規(guī)律或程序段較短的數(shù)控程序的譯碼。它能節(jié)約系統(tǒng)資源，加快數(shù)據(jù)處理速度，且譯碼緩沖區(qū)是靜態(tài)分配的，可有效防止內(nèi)存碎片的形成。該方法還能很好地利用Windows系統(tǒng)本身提供的基于線程的搶先式多任務(wù)機(jī)制。

2改進(jìn)方案

DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部集成的常見的基準(zhǔn)電壓有1。23V、1。25V、2。5V和5V等，若按圖2所示，設(shè)計(jì)成恒流源給工作電流為350mA的單顆1W的白光LED供電時(shí)，以準(zhǔn)電壓為Vref=1。23V為例，采樣電阻上的損耗為1。23×0。35=0。4305W，忽略DC/DC變換器及其他損耗，電源的最高效率為：

若為工作電流為700mA的單顆3W的白光LED供電時(shí)，采樣電阻上的損耗則更大。為了降低功耗，提高效率，應(yīng)該盡量選用小阻值采樣電阻，但采用小阻值的采樣電阻后，圖2中的反饋電壓Vref變小，輸出電流不能達(dá)到理想值，為了滿足需求，提高電路對輸出電流變化進(jìn)行控制的靈敏度，提高恒流精度，需要增加放大電路對采樣信號放大，如圖3所示。

圖3改進(jìn)的DC/DC開關(guān)恒流源原理框圖

當(dāng)電路進(jìn)入恒流工作狀態(tài)時(shí)，輸出電流Iout滿足式（3）：

一般來說，運(yùn)算放大器的增益都能做到很大，這樣電路中就可以采用很小的采樣電阻，從而達(dá)到降低損耗、提高效率的目的。假設(shè)采樣電阻采用0。1Ω，同樣為工作電流為350mA的單顆1W的白光LED供電時(shí)，在采樣電阻上的損耗為0。01225W。一般來說，通用的運(yùn)算放大器的工作電流和最大工作電壓分別在1mA和30V左右，加上運(yùn)算放大器及其附屬電路的損耗，增加的電路的總損耗大約0。05W左右，忽略DC/DC變換器及其他損耗，效率最高可達(dá)[!--empirenews.page--]

效率明顯提高。

將式（3）變換得出：

由式（4）可以看出，合理設(shè)置電阻Rf、R1和Rs的值，即可獲得所需的輸出電流值，并能獲得理想的效率。

3設(shè)計(jì)實(shí)例

目前，在市面上可以找到很多價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的可調(diào)輸出的DC/DC單片集成開關(guān)穩(wěn)壓器或者控制器，如LM2577-ADJ、LM2596-ADJ、LT1086-ADJ、TL494、MC34063等，LM2596-ADJ是LM2596中可調(diào)輸出電壓的電源管理單片集成電路，內(nèi)部集成固定頻率發(fā)生電路以及頻率補(bǔ)償電路，最大輸出電流可達(dá)3A，具有功耗?。ù龣C(jī)電流僅80μA）、效率高、過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能、很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)、外圍電路簡單等特性。圖4所示是基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源。

圖4基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源

該電路中，含有電壓控制環(huán)路和電流控制環(huán)路兩個(gè)環(huán)路。電壓控制環(huán)路由運(yùn)算放大器U2A、R1、R5組成，用于控制電源的最大輸出電壓，其輸出電壓Vout由式（5）表示。

式（5）中，Vref=1。23V，VD=0。4V。由式（5）可以看出，改變R1和R5的參數(shù)就能改變最大輸出電壓的值。在LED驅(qū)動電路的實(shí)際應(yīng)用中，Vout應(yīng)高于實(shí)際的負(fù)載電壓，并且負(fù)載電壓VLoad應(yīng)滿足式（6），電源才能自動工作于恒流模式。

電流控制環(huán)由運(yùn)算放大器U2B、R7、R3、C2、R6、R2、C5組成。電源的輸出電流Iout由式（7）表示。

由式（7）看出，改變R2、R6或者R7的值，即可改變輸出電流的值。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，R7可以采用阻值更小的電阻，以降低功耗。

Q1、R4、C6、ZD1構(gòu)成運(yùn)算放大器的供電穩(wěn)壓電路，保證給運(yùn)算放大器的供電電壓不超過其最大允許工作電壓。

D6、D7組成電壓反饋環(huán)路和電流反饋回路自動切換控制電路。當(dāng)電源工作在恒壓模式時(shí)，由于負(fù)載電流小，U2B的輸出電壓V2小于U2A的輸出電壓V1，此時(shí)D6導(dǎo)通，D7截止，U2B的輸出不影響U2A的輸出；當(dāng)負(fù)載電流增大到設(shè)定值時(shí)，U2B的輸出電壓V2大于U2A的輸出電壓V1，此時(shí)電源自動切換到恒流模式，D7導(dǎo)通，D6截止，U2A的輸出不影響U2B的輸出。2個(gè)控制環(huán)路中，同時(shí)只有一個(gè)控制環(huán)路起主導(dǎo)控制作用。當(dāng)電壓控制環(huán)路起主導(dǎo)作用時(shí)，輸出電壓不隨負(fù)載電流的變化而變換，保持恒定值，相當(dāng)于恒壓源；當(dāng)電源輸出電流增大，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電源自動轉(zhuǎn)入恒流模式，電流控制環(huán)路起主導(dǎo)作用，輸出電壓隨負(fù)載的變化而變換，輸出電流值保持恒定，相當(dāng)于恒流源。

表1和表2是基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)，表1中的理想效率是按照式（8），且在開關(guān)頻率為150kHz、開關(guān)時(shí)間Ts為0。3μs的條件下計(jì)算而得：

表1效率測試數(shù)據(jù)

表2恒流精度測試數(shù)據(jù)

式（8）為最理想的開關(guān)損耗情況下，Buck調(diào)整器的效率計(jì)算公式，式中，Vdc為電源的輸入電壓。

從表1的測試數(shù)據(jù)來看，實(shí)測效率與理想效率接近，且超過了87%，接近88%。這主要是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)恒壓源到恒流源轉(zhuǎn)變所增加的小阻值采樣電阻以及低功耗的運(yùn)算放大器等附加電路，并沒有明顯增加電源的總損耗。

從表2的數(shù)據(jù)來看，電源的恒流誤差小于1%，具有相當(dāng)高的恒流精度。這是因?yàn)樨?fù)載上電流的很小變化，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后，都能被控制電路感知，從而使輸出電流保持在一個(gè)穩(wěn)定的值。

根據(jù)式（7），輸出電流

但由于電路中的二極管D7處于微導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致電源的實(shí)際輸出電流值與計(jì)算值存在一定偏差，但誤差很小，可以通過修改反饋電阻的值，獲得理想的電流值。

4結(jié)束語

基于LM2596-ADJ的LED開關(guān)恒流穩(wěn)壓電源已經(jīng)投入實(shí)際使用，且長期工作穩(wěn)定可靠，該電路的成功設(shè)計(jì)，說明了利用市面常用DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)成高效的LED恒流驅(qū)動的方法的可行性，且取材廣泛，成本低。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電路具有恒流精度高、效率高。該電源電路不僅可用于大功率LED驅(qū)動，還可用于電池充電等。