基于串級PID控制算法的壓控大功率電流源

　　摘要：提出了一種基于串級PID控制算法的壓控大功率電流源設計方案。該電流源在內環(huán)電路采用PID控制電路，提高電流響應速度;外環(huán)電路采用數字PID控制算法，精確控制電流輸出的串級PID控制模式。與傳統電流源相比，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體激光技術(shù)、發(fā)光二極管照明技術(shù)及國防科技領(lǐng)域等有著(zhù)廣泛的應用，同時(shí)對電流源的輸出特性提出了較高的要求，而目前國內研制的大功率電流源輸出電流精確度及穩定度差，功率較小，頻率幅值調節性差，脈沖電流上升時(shí)間長(cháng)，脈寬可調范圍小，效率低等缺點(diǎn)。電流源的用途很多，壓控電流源因設計簡(jiǎn)單，調試方便而得到廣泛應用^[1]。

　　本文所提出的基于串級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，且幅值頻率可調范圍大，脈沖電流上升時(shí)間短，脈寬可調范圍大等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的通用性，可滿(mǎn)足絕大多數技術(shù)領(lǐng)域的要求。用戶(hù)可自由選擇或設置期望的電流波形，由控制單元中信號發(fā)生模塊調用波形數據庫中的期望波形數據，經(jīng)外圍電路中的信號調理電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行調理、放大，由大功率電流發(fā)生電路對期望波形進(jìn)行功率放大后輸出。

　　總體方案設計

　　本系統由用戶(hù)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、上位機構成，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(hù)可由用戶(hù)輸入層選擇或設置期望的波形，由控制單元軟件層中信號發(fā)生模塊調用波形數據庫中的期望波形數據，經(jīng)外圍電路層中的信號調理電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行調理、放大，由大功率電流發(fā)生電路對期望波形進(jìn)行功率放大后輸入至電流輸出層。用戶(hù)也可在用戶(hù)輸入層進(jìn)行設置，對期望波形的頻率和幅值進(jìn)行設置，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。本系統擬設計USB/RS232等串口通信模塊，方便用戶(hù)將輸出的電流數據及波形輸入上位機;用戶(hù)也可使用外部存儲設備(如U盤(pán)等)通過(guò)USB/RS232接口將波形數據輸入至控制單元，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PID控制算法，精確控制電流輸出，快速調節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PID控制系統^[2]是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過(guò)程控制中得到了廣泛的應用。所謂串級控制，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環(huán)PID控制器的設定值，由內環(huán)PID控制器的輸出去控制執行元件，從而對外環(huán)被控量具有更好的控制效果。為了獲得高精度、高穩定度的電流輸出，設計基于串級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為內環(huán)控制器，包圍PID2的環(huán)路稱(chēng)為內環(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處于內給定狀態(tài)，包圍PID1的環(huán)路稱(chēng)為外環(huán)PID控制回路。

　　串級PID控制系統的控制順序是先外環(huán)PID控制回路(PID1)，后內環(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是內環(huán)PID控制回路采樣控制周期T2的整數倍，因為是一般串級控制系統中外環(huán)控制對象的響應速度慢、內環(huán)控制對象的響應速度快。另一種是同頻采樣控制，即內外PID控制回路的采樣控制周期相同。這時(shí)，由于內環(huán)回路的受控對象的響應速度較快，應根據內環(huán)回路選擇采樣周期。