摘要：數控恒流源在計量、半導體、傳感器等領域得到廣泛應用，針對目前市場上大部分恒流源產品精度和智能化水平偏低等問題，提出了一種增量式PID控制的數控恒流源設計方法。該系統(tǒng)通過單片機對恒流源模塊的輸出進行采樣，采用增量式P1D控制算法進行數值處理。并通過Matlab仿真與傳統(tǒng)PID控制算法進行對比。實驗結果表明其具有分辨率高、紋波小、高精度的特性。
關鍵詞：單片機；恒流源模塊；場效應管；增量式PID控制
0 引言
隨著半導體集成技術的發(fā)展，恒流源的研究已經入嶄新的一個階段。在一些電真空器件中，如示波器，功率發(fā)射管等由于通電瞬間的電流非常大，所以對穩(wěn)定其工作來說，恒流源顯得非常必要。另外如各種標準燈、校驗表、自動化儀表和半導體器件參數測量等，恒流源對器件的性能起著重要作用。
恒流源的實質是對電流進行反饋，通過對硬件電路進行供電，從而使電流趨于恒定。在得到電流之后形成反饋，從而建立恒流源。由于恒流源具有的特性，所以具有適合阻性、感性、容性負載的優(yōu)點。理想的恒流源不會因負載的輸出電壓、環(huán)境溫度的變化而變化，并因其內阻無限大，所以可使其電流全部輸出。
1 恒流源實現(xiàn)原理
數／模轉換輸出的值加到運放的LM358正輸入端，輸出端電位加到場效應管的柵極上，根據場效應管的特性，可使輸出電流信號放大若干倍，具體數值根據所選場效應管與外部電路而定。通過分析計算出外部電路的參數，使場效應管工作在放大區(qū)，由于此時漏源極電流僅決定于柵源極電壓，所以當改變柵源極電壓時，源極的電流也隨著變化。為排除外部干擾信號的影響，源極電位加往U6-B運放器的正輸入端以便濾波。經濾波所產生的信號加入到U6-A的負輸入端，使其經過兩端的壓差放大之后控制場效應管的柵源極電壓。當場效應管的漏極電流變大時，源極的電流同樣增大，U6-A的反相端電位也變大，這樣U6-A兩端輸入之差變小，所以場效應管的柵極電位也變小，漏極電流隨之變小，從而達到恒流的效果。當場效應管的漏極電流變小時，源極的電流變小，U6-A的反相端電位變小，這樣U6-A兩端輸入之差變大，所以場效應管的柵極上的電位變大，從而也達到恒流的效果。恒流源模塊如圖1所示。
2 系統(tǒng)的方案設計
本文設計的恒流源主要分下面幾個模塊：單片機控制系統(tǒng)、A／D和D／A轉換模塊、電源模塊、恒流源模塊、負載及顯示模塊。通過對按鍵的操作實現(xiàn)手動輸入，通過D／A轉換輸入至恒流源模塊，再通過A／D轉換將數值送入到單片機內。系統(tǒng)框圖如圖2所示。[!--empirenews.page--]
3 系統(tǒng)的控制算法
在恒流源的設計中，采用了增量式PID控制，由最為常見的傳統(tǒng)式PID控制，比例、積分、微分控制推導而來。傳統(tǒng)PID控制回路如圖3所示。
PID調節(jié)控制器的輸出／輸入關系的表達式如下：
式中：uT為輸出信號，e(t)為輸入偏差信號，tD為微分時間，tI為積分時間。在該系統(tǒng)中，單片機對恒流源模塊輸出進行采樣，得出量化數值。所以需將式(1)離散化以求得所需結果：
式中：T為采樣周期；e(n)為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第n-1次的采樣偏差值；u(n)為第n次采樣輸出值。為使系統(tǒng)具有足夠高的精度，必須將采樣周期設定的足夠小。由式(2)可以看出，如果要得出第n次輸出值，需要處理的數據非常龐大，不僅需本次與前一次的偏差信號，而且需要從第一次到第n次的采樣偏差值，再將其累加求和。在這一步驟當中，對微控制器所需的內存會有一定要求，并且其計算量繁冗。因此，對其進行化簡，由遞推原理求得第n-1次輸出值，如下：
由式(4)可知，如果要得出第n次的輸出值，只需求得第n-1次的采樣輸出值，第n，n-1，n-2次的偏差值，整個過程就簡單清晰的多。在該系統(tǒng)中，經過A／D轉換所得到的參數就是PID的被控對象。
在整個系統(tǒng)中，通過采用PID控制算法，不僅可以即時的反應出控制系統(tǒng)的偏差信號，減少偏差，而且通過積分控制作用之后，可以消除靜差，使系統(tǒng)的精度大幅度提高。另外，在微分控制當中，偏差信號的變化趨勢也可以讀出。通過反饋作用，可對信號進行修正，從而加快系統(tǒng)的響應速度，減少調節(jié)時間。并且可避免因處理器的任何故障而引起的輸出信號的大幅度變化。
為了證明增量式PID控制相對于傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)越性，本文采用Matlab分別對增量式PID算法和傳統(tǒng)PID算法進行仿真比較。
取KP=10，tD=3，tI=0．1，采樣時間Ts=0．001。[!--empirenews.page--]
給出一個疊加的階躍響應模擬電流值的調節(jié)信號輸入，分別在1，2．3，3．5，4處將系統(tǒng)輸入(即：設定電流值)從0～1，1～1．8，1．8～2，2～2．9進行變化，仿真5 s后觀察不同控制算法下的響應情況，如圖4所示。
由圖4可知，在控制器參數相同的情況下增量式的PID控制算法具有其響應速度更快，超調量更小，優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。
4 系統(tǒng)的軟硬件設計
4．1 軟件設計
首先完成系統(tǒng)初始化，給系統(tǒng)變量賦初值，然后進行按鍵掃描，獲取鍵值，判斷設定鍵，進而進行相應的功能子程序處理。該系統(tǒng)是采用外部中斷0來實現(xiàn)實時掃描，使系統(tǒng)進行數值設置。通過外部中斷1來實現(xiàn)數值設置值的LED顯示。其中LED顯示時，每一位顯示的間間隔為2 ms。在進行數值采樣的時，為了有足夠的精度，該系統(tǒng)所采用的采樣時間間隔為1 ms，這里也可以根據工作的需要進行自行設定。主程序流程圖如圖5所示。
定時器中斷實現(xiàn)數字信號處理的整個過程。當中涉及到參數的設定，即校準過程，并且需進行PID控制算法的實現(xiàn)，所以對數字處理這一塊會稍微繁瑣一些。其流程圖如圖6所示。
4．2 硬件設計及系統(tǒng)測試
給出本系統(tǒng)幾個主要電路圖如圖7～圖9所示。
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該系統(tǒng)微控制器是采用高性價比AT89S52單片機。D／A轉換芯片采用的是10位DAC芯片，A／D轉換芯片是采用的美國德州儀器公司生產的8位串行ADC換器芯片。為了能夠在實際中驗證系統(tǒng)設計的性能采用萬用板連接系統(tǒng)各種硬件，經過電路的搭建和程序的燒寫得到如圖10所示的系統(tǒng)。
在搭建并調試好系統(tǒng)后，下一步工作就是進行數值測定，測試系統(tǒng)各項性能。數值測定結果如下：
設定電流的300 mA，測得步進電流數據如表1、表2所示。
取負載電阻為10 Ω，紋波電流=紋波電壓／負載電阻，測試數據如表3所示。
5 結語
對該恒流源模塊的測量結果表明，其步進分辨率高，紋波小，并且可以手動輸入電流20～2 000 mA之間的數據?？梢詾楦黜椆こ虘锰峁└叻€(wěn)定度的恒流源。該系統(tǒng)還可采用其他更為先進的控制算法，以求得更好的效果。
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