壓控大功率電流源的串級(jí)PID控制算法設(shè)計(jì)

提出了一種基于串級(jí)PID控制算法的壓控大功率電流源設(shè)計(jì)方案。該電流源在內(nèi)環(huán)電路采用PID控制電路，提高電流響應(yīng)速度;外環(huán)電路采用數(shù)字PID控制算法，精確控制電流輸出的串級(jí)PID控制模式。與傳統(tǒng)電流源相比，該電流源具有輸出功率大，可輸出多路不同波形電流，且幅值頻率可調(diào)范圍大，脈沖電流上升時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，具有更好的通用性。

引言

大功率電流源在半導(dǎo)體激光技術(shù)、發(fā)光二極管照明技術(shù)及國(guó)防科技領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)電流源的輸出特性提出了較高的要求，而目前國(guó)內(nèi)研制的大功率電流源輸出電流精確度及穩(wěn)定度差，功率較小，頻率幅值調(diào)節(jié)性差，脈沖電流上升時(shí)間長(zhǎng)，脈寬可調(diào)范圍小，效率低等缺點(diǎn)。電流源的用途很多，壓控電流源因設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便而得到廣泛應(yīng)用［1］。

本文所提出的基于串級(jí)PID控制算法的壓控大功率電流源，具有輸出功率大，可輸出多路不同波形電流，且幅值頻率可調(diào)范圍大，脈沖電流上升時(shí)間短，脈寬可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的通用性，可滿足絕大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域的要求。用戶可自由選擇或設(shè)置期望的電流波形，由控制單元中信號(hào)發(fā)生模塊調(diào)用波形數(shù)據(jù)庫中的期望波形數(shù)據(jù)，經(jīng)外圍電路中的信號(hào)調(diào)理電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行調(diào)理、放大，由大功率電流發(fā)生電路對(duì)期望波形進(jìn)行功率放大后輸出。

總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由用戶輸入層、控制單元硬件層、控制單元軟件層、外圍電路層、電流輸出層、上位機(jī)構(gòu)成，可輸出四路不大于20A的脈沖電流、方波電流、正弦波電流、任意波電流，如圖1所示。用戶可由用戶輸入層選擇或設(shè)置期望的波形，由控制單元軟件層中信號(hào)發(fā)生模塊調(diào)用波形數(shù)據(jù)庫中的期望波形數(shù)據(jù)，經(jīng)外圍電路層中的信號(hào)調(diào)理電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行調(diào)理、放大，由大功率電流發(fā)生電路對(duì)期望波形進(jìn)行功率放大后輸入至電流輸出層。用戶也可在用戶輸入層進(jìn)行設(shè)置，對(duì)期望波形的頻率和幅值進(jìn)行設(shè)置，滿足不同用戶的需求。本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)USB/RS232等串口通信模塊，方便用戶將輸出的電流數(shù)據(jù)及波形輸入上位機(jī);用戶也可使用外部存儲(chǔ)設(shè)備（如U盤等）通過USB/RS232接口將波形數(shù)據(jù)輸入至控制單元，這樣就可獲得任意波形的電流。在外圍電路層中采用PID控制電路，并且采用串級(jí)PID控制算法，精確控制電流輸出，快速調(diào)節(jié)輸出波形的幅值頻率，縮短脈沖及方波電流的上升時(shí)間。

電流源控制模型的建立

串級(jí)PID控制系統(tǒng)［2］是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂串級(jí)控制，就是采用兩個(gè)PID控制器串聯(lián)工作，外環(huán)PID控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)PID控制器的設(shè)定值，由內(nèi)環(huán)PID控制器的輸出去控制執(zhí)行元件，從而對(duì)外環(huán)被控量具有更好的控制效果。為了獲得高精度、高穩(wěn)定度的電流輸出，設(shè)計(jì)基于串級(jí)PID控制算法的大功率電流源，控制模型如圖2所示。

控制模型中有兩個(gè)PID控制器，PID2為內(nèi)環(huán)控制器，包圍PID2的環(huán)路稱為內(nèi)環(huán)PID控制回路，外環(huán)控制器PID1的輸出控制量u1作為PID2的外給定值，而PID1處于內(nèi)給定狀態(tài)，包圍PID1的環(huán)路稱為外環(huán)PID控制回路。

串級(jí)PID控制系統(tǒng)的控制順序是先外環(huán)PID控制回路（PID1），后內(nèi)環(huán)PID控制回路（PID2）?？刂品绞接袃煞N：一種是異步采樣控制，即外環(huán)PID控制回路的采樣控制周期T1是內(nèi)環(huán)PID控制回路采樣控制周期T2的整數(shù)倍，因?yàn)槭且话愦?jí)控制系統(tǒng)中外環(huán)控制對(duì)象的響應(yīng)速度慢、內(nèi)環(huán)控制對(duì)象的響應(yīng)速度快。另一種是同頻采樣控制，即內(nèi)外PID控制回路的采樣控制周期相同。這時(shí)，由于內(nèi)環(huán)回路的受控對(duì)象的響應(yīng)速度較快，應(yīng)根據(jù)內(nèi)環(huán)回路選擇采樣周期。

技術(shù)路線及部分電路原理

技術(shù)路線

根據(jù)電流源的控制模型，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的技術(shù)路線，如圖3所示，由控制單元控制輸出四路信號(hào)，用戶輸入波形參數(shù)可調(diào)節(jié)波形頻率，其中兩路分別是脈沖波與方波信號(hào)，經(jīng)過整形電路去除高頻雜波，根據(jù)用戶輸入的波形參數(shù)由控制單元控制自動(dòng)增益電路，調(diào)節(jié)波形的幅值，得到穩(wěn)定精確的脈沖波形及方波波形信號(hào)。由控制單元產(chǎn)生的一路方波信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路得到正弦波波形信號(hào)，經(jīng)過有源低通濾波（LPF）電路濾除因D/A轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的高次諧波，然后控制自動(dòng)增益電路，調(diào)節(jié)波形的幅值，得到穩(wěn)定精確的正弦波及任意波波形信號(hào)。由控制單元輸出的四路信號(hào)經(jīng)過調(diào)理放大后輸入至大電流發(fā)生電路，大電流發(fā)生電路由大功率驅(qū)動(dòng)管、反饋電路組成，將四路信號(hào)提升為大電流并由輸出接口輸出，大電流發(fā)生電路采用模擬PID控制技術(shù)，并且采用串級(jí)PID控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)電流輸出值，提高精確度與穩(wěn)定度。本電流源擬設(shè)計(jì)USB/RS232等串口通信模塊，方便用戶將輸出的電流數(shù)據(jù)及波形輸入上位機(jī);用戶也可使用外部存儲(chǔ)設(shè)備（如U盤等）通過USB/RS232接口將波形數(shù)據(jù)輸入至控制單元，然后經(jīng)過信號(hào)調(diào)理放大電路、大功率電流發(fā)生電路，就可獲得任意波形的電流。本電流源中設(shè)計(jì)自檢自校準(zhǔn)模塊，讓用戶在使用之前了解系統(tǒng)是否正常，同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，提高電流的輸出精確度。本系統(tǒng)采用顯示模塊將輸出的電流波形及數(shù)據(jù)顯示出來，建立友好的人機(jī)交互界面。

基于內(nèi)環(huán)PID控制的電路原理

將內(nèi)環(huán)PID控制器的基本原理應(yīng)用到本電流源設(shè)計(jì)中，得出基于模擬PID控制的單大功率MOS管恒流源電路如圖4所示。

其中圖4中：

VR為控制電壓;

Vo為反饋電壓;

VCC為供電電壓;

Io為輸出的恒定電流;

U1A、U1B為高速運(yùn)算放大器;

R為采樣電阻。

具體的電路分析如下：

基準(zhǔn)電壓VR連接到運(yùn)放U1A的同相端，運(yùn)放U1B控制跨導(dǎo)放大器的導(dǎo)通程度，并由此獲得相應(yīng)的輸出電流，輸出電流在采樣電阻R上產(chǎn)生采樣電壓，該采樣電壓經(jīng)過U1B放大器后作為反饋電壓反饋回電壓放大器U1A的反相輸入端，并與同相輸入端的電壓相比較，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)跨導(dǎo)放大器的輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡中，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。利用虛短、虛斷的定義及相關(guān)公式，可推到出VR與Io的關(guān)系：

自檢自校準(zhǔn)模塊電路原理

自檢的主要任務(wù)是檢測(cè)系統(tǒng)中一些關(guān)鍵設(shè)備是否存在錯(cuò)誤和能否正常工作。系統(tǒng)參數(shù)初始化完畢后進(jìn)入自檢流程，控制單元給網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，通過檢測(cè)反饋數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)是否一致來判斷通信模塊是否正常。采集各路傳感器的電信號(hào)，判斷傳感器是否存在及能否正常工作等。若發(fā)現(xiàn)故障，顯示屏上給出相應(yīng)故障提示信息。

本電流源采用自校準(zhǔn)技術(shù)提高測(cè)量精確度及可靠性。自校準(zhǔn)技術(shù)包括外部校準(zhǔn)和內(nèi)部校準(zhǔn)兩部分。在本電流源中，外部校準(zhǔn)主要是指應(yīng)用零點(diǎn)漂移自動(dòng)校準(zhǔn)。零點(diǎn)漂移是造成零位誤差的主要原因之一，即當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零，且零點(diǎn)漂移值會(huì)隨著溫度的變化而變化。本電流源采用低溫漂、穩(wěn)定性好的測(cè)試傳感器及調(diào)理電路模塊器件，極大減少溫度變化對(duì)本裝置測(cè)試帶來的影響。假設(shè)零點(diǎn)漂移電壓為Vos，校準(zhǔn)零點(diǎn)漂移電壓為Vos，校準(zhǔn)電路原理如圖5。

外部校準(zhǔn)分為以下三個(gè)步驟：

（1）切斷開關(guān)S1，閉合開關(guān)S2，即在控制單元的控制下將模擬量輸入通道與地接通，得到這種情況下的A/D轉(zhuǎn)換的輸出值N0;則有

其中，K為總的放大系數(shù)。

（2）控制單元的控制下切斷S2，閉合S1，將被測(cè)信號(hào)Vi和漂移電壓Vos一同送入模擬量通道;此時(shí)，得到的一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的輸出值為：

通過控制單元對(duì)上面兩次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算后輸出值為N，是消去了零點(diǎn)漂移電壓Vos的影響，真正代表了輸出電壓Vi的輸出值。

內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)是指利用更高精度的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，本電流源使用同型號(hào)更高精度的傳感器對(duì)相同電流所產(chǎn)生一組校準(zhǔn)值，作為校準(zhǔn)表預(yù)先存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。將測(cè)量數(shù)據(jù)在相對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)表中做插值處理，得出經(jīng)過誤差修正后的正確值，顯著提高了測(cè)量精度。

顯示屏驅(qū)動(dòng)電路原理

本電流源擬采用LCD液晶屏作為顯示模塊，將輸出的脈沖電流值以波形及數(shù)據(jù)的形式顯示在LCD屏上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓用戶一目了然。而一般控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力比較弱，驅(qū)動(dòng)電壓較低，而LCD顯示屏［3］的激勵(lì)要求電流較大，因此，需要電平匹配電路及驅(qū)動(dòng)電路，提高控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力。圖6為L(zhǎng)CD顯示屏驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，其為系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)上電開始工作，控制芯片復(fù)位后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化，完畢后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，此時(shí)若檢測(cè)系統(tǒng)不正常，則通過顯示模塊進(jìn)行故障提示;否則進(jìn)入波形設(shè)置界面，用戶可根據(jù)需要選擇并設(shè)置期望波形，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)從波形數(shù)據(jù)庫中加載波形數(shù)據(jù)，然后通過系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)實(shí)際輸出的電流值，與用戶設(shè)置的電流值進(jìn)行比較判斷，若設(shè)置值與實(shí)測(cè)值的差值在一定范圍±C內(nèi)，則認(rèn)為是準(zhǔn)確值，通過顯示模塊將實(shí)測(cè)值的波形和數(shù)據(jù)顯示出來，否則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電流的頻率或幅值，以滿足用戶的要求。

結(jié)語

本文方案設(shè)計(jì)的基于串級(jí)PID控制的大功率壓控電流源，具有輸出功率大，可輸出多路不同波形電流，且幅值頻率可調(diào)范圍大，脈沖電流上升時(shí)間短，脈寬可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的通用性，可滿足絕大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域的要求。