提出了一種基于串級PID控制算法的壓控大功率電流源設計方案。該電流源在內環電路采用PID控制電路，提高電流響應速度;外環電路采用數字PID控制算法，精確控制電流輸出的串級PID控制模式。與傳統電流源相比，該電流源具有輸出功率大，可輸出多路不同波形電流，且幅值頻率可調范圍大，脈沖電流上升時間短等優點，具有更好的通用性。

引言

大功率電流源在半導體激光技術、發光二極管照明技術及國防科技領域等有著廣泛的應用，同時對電流源的輸出特性提出了較高的要求，而目前國內研制的大功率電流源輸出電流精確度及穩定度差，功率較小，頻率幅值調節性差，脈沖電流上升時間長，脈寬可調范圍小，效率低等缺點。電流源的用途很多，壓控電流源因設計簡單，調試方便而得到廣泛應用［1］。

本文所提出的基于串級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，且幅值頻率可調范圍大，脈沖電流上升時間短，脈寬可調范圍大等優點，具有較好的通用性，可滿足絕大多數技術領域的要求。用戶可自由選擇或設置期望的電流波形，由控制單元中信號發生模塊調用波形數據庫中的期望波形數據，經外圍電路中的信號調理電路及自動增益控制電路進行調理、放大，由大功率電流發生電路對期望波形進行功率放大后輸出。

總體方案設計

本系統由用戶輸入層、控制單元硬件層、控制單元軟件層、外圍電路層、電流輸出層、上位機構成，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置期望的波形，由控制單元軟件層中信號發生模塊調用波形數據庫中的期望波形數據，經外圍電路層中的信號調理電路及自動增益控制電路進行調理、放大，由大功率電流發生電路對期望波形進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行設置，對期望波形的頻率和幅值進行設置，滿足不同用戶的需求。本系統擬設計USB/RS232等串口通信模塊，方便用戶將輸出的電流數據及波形輸入上位機;用戶也可使用外部存儲設備（如U盤等）通過USB/RS232接口將波形數據輸入至控制單元，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PID控制算法，精確控制電流輸出，快速調節輸出波形的幅值頻率，縮短脈沖及方波電流的上升時間。

電流源控制模型的建立

串級PID控制系統［2］是改善控制質量的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛的應用。所謂串級控制，就是采用兩個PID控制器串聯工作，外環PID控制器的輸出作為內環PID控制器的設定值，由內環PID控制器的輸出去控制執行元件，從而對外環被控量具有更好的控制效果。為了獲得高精度、高穩定度的電流輸出，設計基于串級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PID控制器，PID2為內環控制器，包圍PID2的環路稱為內環PID控制回路，外環控制器PID1的輸出控制量u1作為PID2的外給定值，而PID1處于內給定狀態，包圍PID1的環路稱為外環PID控制回路。

串級PID控制系統的控制順序是先外環PID控制回路（PID1），后內環PID控制回路（PID2）。控制方式有兩種：一種是異步采樣控制，即外環PID控制回路的采樣控制周期T1是內環PID控制回路采樣控制周期T2的整數倍，因為是一般串級控制系統中外環控制對象的響應速度慢、內環控制對象的響應速度快。另一種是同頻采樣控制，即內外PID控制回路的采樣控制周期相同。這時，由于內環回路的受控對象的響應速度較快，應根據內環回路選擇采樣周期。

技術路線及部分電路原理

技術路線

根據電流源的控制模型，設計本系統的技術路線，如圖3所示，由控制單元控制輸出四路信號，用戶輸入波形參數可調節波形頻率，其中兩路分別是脈沖波與方波信號，經過整形電路去除高頻雜波，根據用戶輸入的波形參數由控制單元控制自動增益電路，調節波形的幅值，得到穩定精確的脈沖波形及方波波形信號。由控制單元產生的一路方波信號經過D/A轉換電路得到正弦波波形信號，經過有源低通濾波（LPF）電路濾除因D/A轉換后產生的高次諧波，然后控制自動增益電路，調節波形的幅值，得到穩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過調理放大后輸入至大電流發生電路，大電流發生電路由大功率驅動管、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，大電流發生電路采用模擬PID控制技術，并且采用串級PID控制算法，自動調節電流輸出值，提高精確度與穩定度。本電流源擬設計USB/RS232等串口通信模塊，方便用戶將輸出的電流數據及波形輸入上位機;用戶也可使用外部存儲設備（如U盤等）通過USB/RS232接口將波形數據輸入至控制單元，然后經過信號調理放大電路、大功率電流發生電路，就可獲得任意波形的電流。本電流源中設計自檢自校準模塊，讓用戶在使用之前了解系統是否正常，同時，對系統進行自動校準，提高電流的輸出精確度。本系統采用顯示模塊將輸出的電流波形及數據顯示出來，建立友好的人機交互界面。

基于內環PID控制的電路原理

將內環PID控制器的基本原理應用到本電流源設計中，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：

VR為控制電壓;

Vo為反饋電壓;

VCC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：

基準電壓VR連接到運放U1A的同相端，運放U1B控制跨導放大器的導通程度，并由此獲得相應的輸出電流，輸出電流在采樣電阻R上產生采樣電壓，該采樣電壓經過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，對輸出電壓進行調整，進而對跨導放大器的輸出電流進行調整，使整個閉環反饋系統處于動態的平衡中，以達到穩定輸出電流的目的。利用虛短、虛斷的定義及相關公式，可推到出VR與Io的關系：

自檢自校準模塊電路原理

自檢的主要任務是檢測系統中一些關鍵設備是否存在錯誤和能否正常工作。系統參數初始化完畢后進入自檢流程，控制單元給網絡通信模塊發送數據，通過檢測反饋數據與發送數據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。若發現故障，顯示屏上給出相應故障提示信息。

本電流源采用自校準技術提高測量精確度及可靠性。自校準技術包括外部校準和內部校準兩部分。在本電流源中，外部校準主要是指應用零點漂移自動校準。零點漂移是造成零位誤差的主要原因之一，即當輸入信號為零時，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、穩定性好的測試傳感器及調理電路模塊器件，極大減少溫度變化對本裝置測試帶來的影響。假設零點漂移電壓為Vos，校準零點漂移電壓為Vos，校準電路原理如圖5。

外部校準分為以下三個步驟：

（1）切斷開關S1，閉合開關S2，即在控制單元的控制下將模擬量輸入通道與地接通，得到這種情況下的A/D轉換的輸出值N0;則有

其中，K為總的放大系數。

（2）控制單元的控制下切斷S2，閉合S1，將被測信號Vi和漂移電壓Vos一同送入模擬量通道;此時，得到的一個A/D轉換的輸出值為：

通過控制單元對上面兩次測量數據進行計算：

計算后輸出值為N，是消去了零點漂移電壓Vos的影響，真正代表了輸出電壓Vi的輸出值。

內部校準技術是指利用更高精度的傳感器進行校準，本電流源使用同型號更高精度的傳感器對相同電流所產生一組校準值，作為校準表預先存儲在外部存儲器中。將測量數據在相對應的校準表中做插值處理，得出經過誤差修正后的正確值，顯著提高了測量精度。

顯示屏驅動電路原理

本電流源擬采用LCD液晶屏作為顯示模塊，將輸出的脈沖電流值以波形及數據的形式顯示在LCD屏上，實現人機交互，讓用戶一目了然。而一般控制芯片的驅動能力比較弱，驅動電壓較低，而LCD顯示屏［3］的激勵要求電流較大，因此，需要電平匹配電路及驅動電路，提高控制芯片的驅動能力。圖6為LCD顯示屏驅動電路原理圖。

系統軟件設計

如圖7所示，其為系統軟件流程圖。系統上電開始工作，控制芯片復位后，進入系統初始化，完畢后進行系統自檢，此時若檢測系統不正常，則通過顯示模塊進行故障提示;否則進入波形設置界面，用戶可根據需要選擇并設置期望波形，系統會自動根據用戶設置的參數從波形數據庫中加載波形數據，然后通過系統自動檢測實際輸出的電流值，與用戶設置的電流值進行比較判斷，若設置值與實測值的差值在一定范圍±C內，則認為是準確值，通過顯示模塊將實測值的波形和數據顯示出來，否則系統會根據用戶輸入的參數，自動調節電流的頻率或幅值，以滿足用戶的要求。

結語

本文方案設計的基于串級PID控制的大功率壓控電流源，具有輸出功率大，可輸出多路不同波形電流，且幅值頻率可調范圍大，脈沖電流上升時間短，脈寬可調范圍大等優點，具有較好的通用性，可滿足絕大多數技術領域的要求。