基于串級(jí)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(jí)PID控制算法的壓控大功率電流源設(shè)計(jì)方案。該電流源在內(nèi)環(huán)電路采用PID控制電路，提高電流響應(yīng)速度;外環(huán)電路采用數(shù)字PID控制算法，精確控制電流輸出的串級(jí)PID控制模式。與傳統(tǒng)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(diào)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(dǎo)體激光技術(shù)、發(fā)光二極管照明技術(shù)及國(guó)防科技領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)電流源的輸出特性提出了較高的要求，而目前國(guó)內(nèi)研制的大功率電流源輸出電流精確度及穩(wěn)定度差，功率較小，頻率幅值調(diào)節(jié)性差，脈沖電流上升時(shí)間長(zhǎng)，脈寬可調(diào)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便而得到廣泛應(yīng)用^[1]。

　　本文所提出的基于串級(jí)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(diào)范圍大，脈沖電流上升時(shí)間短，脈寬可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的通用性，可滿足絕大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域的要求。用戶可自由選擇或設(shè)置期望的電流波形，由控制單元中信號(hào)發(fā)生模塊調(diào)用波形數(shù)據(jù)庫(kù)中的期望波形數(shù)據(jù)，經(jīng)外圍電路中的信號(hào)調(diào)理電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行調(diào)理、放大，由大功率電流發(fā)生電路對(duì)期望波形進(jìn)行功率放大后輸出。

　　總體方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由用戶輸入層、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(jī)構(gòu)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。用戶可由用戶輸入層選擇或設(shè)置期望的波形，由控制單元軟件層中信號(hào)發(fā)生模塊調(diào)用波形數(shù)據(jù)庫(kù)中的期望波形數(shù)據(jù)，經(jīng)外圍電路層中的信號(hào)調(diào)理電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行調(diào)理、放大，由大功率電流發(fā)生電路對(duì)期望波形進(jìn)行功率放大后輸入至電流輸出層。用戶也可在用戶輸入層進(jìn)行設(shè)置，對(duì)期望波形的頻率和幅值進(jìn)行設(shè)置，滿足不同用戶的需求。本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)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(jī);用戶也可使用外部存儲(chǔ)設(shè)備(如U盤(pán)等)通過(guò)USB/RS232接口將波形數(shù)據(jù)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(jí)PID控制算法，精確控制電流輸出，快速調(diào)節(jié)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(jí)PID控制系統(tǒng)^[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(yīng)用。所謂串級(jí)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(nèi)環(huán)PID控制器的設(shè)定值，由內(nèi)環(huán)PID控制器的輸出去控制執(zhí)行元件，從而對(duì)外環(huán)被控量具有更好的控制效果。為了獲得高精度、高穩(wěn)定度的電流輸出，設(shè)計(jì)基于串級(jí)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(nèi)環(huán)控制器，包圍PID2的環(huán)路稱(chēng)為內(nèi)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(nèi)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(jí)PID控制系統(tǒng)的控制順序是先外環(huán)PID控制回路(PID1)，后內(nèi)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(nèi)環(huán)PID控制回路采樣控制周期T2的整數(shù)倍，因?yàn)槭且话愦?jí)控制系統(tǒng)中外環(huán)控制對(duì)象的響應(yīng)速度慢、內(nèi)環(huán)控制對(duì)象的響應(yīng)速度快。另一種是同頻采樣控制，即內(nèi)外PID控制回路的采樣控制周期相同。這時(shí)，由于內(nèi)環(huán)回路的受控對(duì)象的響應(yīng)速度較快，應(yīng)根據(jù)內(nèi)環(huán)回路選擇采樣周期。