基于串級PID控制算法的壓控大功率電流源

　　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，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，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。由控制單元產(chǎn)生的一路方波信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路得到正弦波波形信號，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。由控制單元輸出的四路信號經(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;用戶也可使用外部存儲設(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，對系統(tǒng)進(jìn)行自動校準(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(zhǔn)電壓V_R連接到運放U1A的同相端，運放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，對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對跨導(dǎo)放大器的輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(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V_R與I_o的關(guān)系：

　　自檢自校準(zhǔn)模塊電路原理

　　自檢的主要任務(wù)是檢測系統(tǒng)中一些關(guān)鍵設(shè)備是否存在錯誤和能否正常工作。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，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)用零點漂移自動校準(zhǔn)。零點漂移是造成零位誤差的主要原因之一，即當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號不為零，且零點漂移值會隨著溫度的變化而變化。本電流源采用低溫漂、穩(wěn)定性好的測試傳感器及調(diào)理電路模塊器件，極大減少溫度變化對本裝置測試帶來的影響。假設(shè)零點漂移電壓為V_os，校準(zhǔn)零點漂移電壓為V_os，校準(zhǔn)電路原理如圖5。