基于串级PID控制算法的压控大功率电流源

　　技术路线及部分电路原理

　　技术路线

　　根据电流源的控制模型，设计本系统的技术路线，如图3所示，由控制单元控制输出四路信号，用户输入波形参数可调节波形频率，其中两路分别是脉冲波与方波信号，经过整形电路去除高频杂波，根据用户输入的波形参数由控制单元控制自动增益电路，调节波形的幅值，得到稳定精确的脉冲波形及方波波形信号。由控制单元产生的一路方波信号经过D/A转换电路得到正弦波波形信号，经过有源低通滤波(LPF)电路滤除因D/A转换后产生的高次谐波，然后控制自动增益电路，调节波形的幅值，得到稳定精确的正弦波及任意波波形信号。由控制单元输出的四路信号经过调理放大后输入至大电流发生电路，大电流发生电路由大功率驱动管、反馈电路组成，将四路信号提升为大电流并由输出接口输出，大电流发生电路采用模拟PID控制技术，并且采用串级PID控制算法，自动调节电流输出值，提高精确度与稳定度。本电流源拟设计USB/RS232等串口通信模块，方便用户将输出的电流数据及波形输入上位机;用户也可使用外部存储设备(如U盘等)通过USB/RS232接口将波形数据输入至控制单元，然后经过信号调理放大电路、大功率电流发生电路，就可获得任意波形的电流。本电流源中设计自检自校准模块，让用户在使用之前了解系统是否正常，同时，对系统进行自动校准，提高电流的输出精确度。本系统采用显示模块将输出的电流波形及数据显示出来，建立友好的人机交互界面。

　　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。