基于串级PID控制算法的压控大功率电流源

基于内环PID控制的电路原理

将内环PID控制器的基本原理应用到本电流源设计中，得出基于模拟PID控制的单大功率MOS管恒流源电路如图4所示。

其中图4中：

V_R为控制电压;
　　Vo为反馈电压;
　　V_CC为供电电压;
　　Io为输出的恒定电流;
　　U1A、U1B为高速运算放大器;
　　R为采样电阻。

具体的电路分析如下：

基准电压V_R连接到运放U1A的同相端，运放U1B控制跨导放大器的导通程度，并由此获得相应的输出电流，输出电流在采样电阻R上产生采样电压，该采样电压经过U1B放大器后作为反馈电压反馈回电压放大器U1A的反相输入端，并与同相输入端的电压相比较，对输出电压进行调整，进而对跨导放大器的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。利用虚短、虚断的定义及相关公式，可推到出V_R与I_o的关系：

自检自校准模块电路原理

自检的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在错误和能否正常工作。系统参数初始化完毕后进入自检流程，控制单元给网络通信模块发送数据，通过检测反馈数据与发送数据是否一致来判断通信模块是否正常。采集各路传感器的电信号，判断传感器是否存在及能否正常工作等。若发现故障，显示屏上给出相应故障提示信息。

本电流源采用自校准技术提高测量精确度及可靠性。自校准技术包括外部校准和内部校准两部分。在本电流源中，外部校准主要是指应用零点漂移自动校准。零点漂移是造成零位误差的主要原因之一，即当输入信号为零时，输出信号不为零，且零点漂移值会随着温度的变化而变化。本电流源采用低温漂、稳定性好的测试传感器及调理电路模块器件，极大减少温度变化对本装置测试带来的影响。假设零点漂移电压为V_os，校准零点漂移电压为V_os，校准电路原理如图5。

外部校准分为以下三个步骤：

(1)切断开关S₁，闭合开关S₂，即在控制单元的控制下将模拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的A/D转换的输出值N₀;则有

其中，K为总的放大系数。

(2)控制单元的控制下切断S₂，闭合S₁，将被测信号V_i和漂移电压V_os一同送入模拟量通道;此时，得到的一个A/D转换的输出值为：

通过控制单元对上面两次测量数据进行计算：

计算后输出值为N，是消去了零点漂移电压V_os的影响，真正代表了输出电压V_i的输出值。

内部校准技术是指利用更高精度的传感器进行校准，本电流源使用同型号更高精度的传感器对相同电流所产生一组校准值，作为校准表预先存储在外部存储器中。将测量数据在相对应的校准表中做插值处理，得出经过误差修正后的正确值，显著提高了测量精度。

显示屏驱动电路原理

本电流源拟采用LCD液晶屏作为显示模块，将输出的脉冲电流值以波形及数据的形式显示在LCD屏上，实现人机交互，让用户一目了然。而一般控制芯片的驱动能力比较弱，驱动电压较低，而LCD显示屏^[3]的激励要求电流较大，因此，需要电平匹配电路及驱动电路，提高控制芯片的驱动能力。图6为LCD显示屏驱动电路原理图。

系统软件设计

如图7所示，其为系统软件流程图。系统上电开始工作，控制芯片复位后，进入系统初始化，完毕后进行系统自检，此时若检测系统不正常，则通过显示模块进行故障提示;否则进入波形设置界面，用户可根据需要选择并设置期望波形，系统会自动根据用户设置的参数从波形数据库中加载波形数据，然后通过系统自动检测实际输出的电流值，与用户设置的电流值进行比较判断，若设置值与实测值的差值在一定范围±C内，则认为是准确值，通过显示模块将实测值的波形和数据显示出来，否则系统会根据用户输入的参数，自动调节电流的频率或幅值，以满足用户的要求。

结语

本文方案设计的基于串级PID控制的大功率压控电流源，具有输出功率大，可输出多路不同波形电流，且幅值频率可调范围大，脉冲电流上升时间短，脉宽可调范围大等优点，具有较好的通用性，可满足绝大多数技术领域的要求。

参考文献：
　　[1] 韩静霖,李国峰,张勇等.一种电压控制电流源的设计与应用[J].电子技术应用,2008,(10):64-65
　　[2] 邓莉.基于MATLAB的串级PID控制系统[C].重庆市电机工程学会2006年学术会议论文,2006
　　[3] 陈玉敏.基于DSP的大功率快速智能充电器的设计[D].大连：大连理工大学硕士学位论文,2007