基于串級PID控制算法的壓控大功率電流源

　　技術(shù)路線(xiàn)及部分電路原理

　　技術(shù)路線(xiàn)

　　根據電流源的控制模型，設計本系統的技術(shù)路線(xiàn)，如圖3所示，由控制單元控制輸出四路信號，用戶(hù)輸入波形參數可調節波形頻率，其中兩路分別是脈沖波與方波信號，經(jīng)過(guò)整形電路去除高頻雜波，根據用戶(hù)輸入的波形參數由控制單元控制自動(dòng)增益電路，調節波形的幅值，得到穩定精確的脈沖波形及方波波形信號。由控制單元產(chǎn)生的一路方波信號經(jīng)過(guò)D/A轉換電路得到正弦波波形信號，經(jīng)過(guò)有源低通濾波(LPF)電路濾除因D/A轉換后產(chǎn)生的高次諧波，然后控制自動(dòng)增益電路，調節波形的幅值，得到穩定精確的正弦波及任意波波形信號。由控制單元輸出的四路信號經(jīng)過(guò)調理放大后輸入至大電流發(fā)生電路，大電流發(fā)生電路由大功率驅動(dòng)管、反饋電路組成，將四路信號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PID控制算法，自動(dòng)調節電流輸出值，提高精確度與穩定度。本電流源擬設計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，然后經(jīng)過(guò)信號調理放大電路、大功率電流發(fā)生電路，就可獲得任意波形的電流。本電流源中設計自檢自校準模塊，讓用戶(hù)在使用之前了解系統是否正常，同時(shí)，對系統進(jìn)行自動(dòng)校準，提高電流的輸出精確度。本系統采用顯示模塊將輸出的電流波形及數據顯示出來(lái)，建立友好的人機交互界面。

　　基于內環(huán)PID控制的電路原理

　　將內環(huán)PID控制器的基本原理應用到本電流源設計中，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：

　　V_R為控制電壓;
　　Vo為反饋電壓;
　　V_CC為供電電壓;
　　Io為輸出的恒定電流;
　　U1A、U1B為高速運算放大器;
　　R為采樣電阻。

　　具體的電路分析如下：

　　基準電壓V_R連接到運放U1A的同相端，運放U1B控制跨導放大器的導通程度，并由此獲得相應的輸出電流，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(guò)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，對輸出電壓進(jìn)行調整，進(jìn)而對跨導放大器的輸出電流進(jìn)行調整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統處于動(dòng)態(tài)的平衡中，以達到穩定輸出電流的目的。利用虛短、虛斷的定義及相關(guān)公式，可推到出V_R與I_o的關(guān)系：

　　自檢自校準模塊電路原理

　　自檢的主要任務(wù)是檢測系統中一些關(guān)鍵設備是否存在錯誤和能否正常工作。系統參數初始化完畢后進(jìn)入自檢流程，控制單元給網(wǎng)絡(luò )通信模塊發(fā)送數據，通過(guò)檢測反饋數據與發(fā)送數據是否一致來(lái)判斷通信模塊是否正常。采集各路傳感器的電信號，判斷傳感器是否存在及能否正常工作等。若發(fā)現故障，顯示屏上給出相應故障提示信息。

　　本電流源采用自校準技術(shù)提高測量精確度及可靠性。自校準技術(shù)包括外部校準和內部校準兩部分。在本電流源中，外部校準主要是指應用零點(diǎn)漂移自動(dòng)校準。零點(diǎn)漂移是造成零位誤差的主要原因之一，即當輸入信號為零時(shí)，輸出信號不為零，且零點(diǎn)漂移值會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而變化。本電流源采用低溫漂、穩定性好的測試傳感器及調理電路模塊器件，極大減少溫度變化對本裝置測試帶來(lái)的影響。假設零點(diǎn)漂移電壓為V_os，校準零點(diǎn)漂移電壓為V_os，校準電路原理如圖5。