高精度PID控制恒流源

劉 璐， 程方曉， 王海彪

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

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高精度PID控制恒流源

劉 璐， 程方曉*， 王海彪

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

采用增量型PID控制算法和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)控制串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的電流輸出。采用單片機實時控制，輔以鍵盤控制、LCD顯示，并通過A/D采樣、D/A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)恒流控制。

微處理器； 恒流控制； PID控制； PWM； 無靜差

0 引 言

目前國內(nèi)的直流恒流源主要利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(Programmable System Device，PSD)控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)字化電壓單元以達(dá)到數(shù)控的目的，其智能化程度較低?，F(xiàn)在市場上廣泛流通的大部分恒流源產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性又較低，通常不能完全滿足具體的實驗要求，而性能較好的恒流源價格又較為昂貴。

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源裝置，在金屬絲楊氏模量測量、金屬薄膜電阻率測量、光電效應(yīng)、磁阻效應(yīng)及光電池特性測量等大學(xué)物理實驗中廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的恒流源往往采用電位器調(diào)節(jié)輸出電流，不僅無法實現(xiàn)精確步進，且精度較低[2]。目前，恒流源的發(fā)展面向數(shù)字化，多采用模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)數(shù)字化控制，具有高精度、高穩(wěn)定性、強拓寬性等特點[3]。

文中采用STM32作為核心控制單元，選用16位高精度的D/A轉(zhuǎn)換器MAX541和24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器ADS1211,實現(xiàn)了高精度數(shù)控直流恒流源的設(shè)計，該恒流源的輸出電流可在0～2 000 mA內(nèi)任意設(shè)定，具有輸出電流范圍寬、不隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化而變化，且輸出電流精度高、誤差小等特點，在大多數(shù)需要高穩(wěn)定、小功率恒流源的領(lǐng)域具有使用價值。

1 增量型PID控制

PID控制是過程控制中廣泛應(yīng)用的一種控制方法，按照偏差的比例、積分、微分進行調(diào)節(jié)的控制器簡稱PID控制器[4-5]。多年來，在PID基本算法的基礎(chǔ)上，衍生出了非線性PID、選擇性PID以及增益自適應(yīng)PID等多種PID控制算法。

傳統(tǒng)PID控制器的理想化方程為:

(1)

式中：KP----比例放大系數(shù);

TI----積分時間;

TD----微分時間。

從方程中可以看出,比例作用P與偏差成正比，積分作用I是偏差對時間的積累，微分作用D是偏差的變化率。其中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)的控制輸入為零和系統(tǒng)的控制值等于期望值這兩種情況，比例控制都能很好地給出穩(wěn)態(tài)誤差；在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入了積分項，積分項是誤差對于時間的積分，這樣即使誤差e(t)很小，隨著時間的增加，積分項也會隨之增大。它將推動著控制器的輸出增大,使穩(wěn)態(tài)誤差減小，直至趨近于零；在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比，自動控制系統(tǒng)中，微分項的引入是由于較大的慣性組件(環(huán)節(jié))或滯后組件的存在，使在調(diào)節(jié)的過程中可能會出現(xiàn)過沖甚至振蕩。

增量式PID算法是在傳統(tǒng)PID算法的基礎(chǔ)上離散化得到的，與位置式PID算法相比，計算量小得多，在實際中得到廣泛應(yīng)用。其控制規(guī)律如下:

(2)

式中:k----采樣序號,k=1,2,…;

U(k)----第k次采樣時刻的輸出量;

E(k)----第k次采樣時刻的輸入偏差量;

KP----比例系數(shù);

KI----積分系數(shù);

KD----微分系數(shù)。

由遞推的方法可得控制器第k-1個采樣時刻的輸出為:

(3)

將式(2)和式(3)做差可得:

(4)

其中ΔU(k)為系統(tǒng)每相鄰兩次輸出的增量，將每次計算得到的增量累加到上一采樣時刻的輸出量U(k-1)中，即U(k)=U(k-1)+ΔU(k)，這就是增量式PID算法的原理[6]。

可以看出，只要使用前后三次采樣時刻k、k-1、k-2測量的偏差值，就可以由式(4)求出控制量。

2 恒流源系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

恒流源系統(tǒng)主要由電流反饋控制電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路及供電電源組成。以單片機STM32為核心控制單元，通過鍵盤輸入對電流值進行預(yù)置，經(jīng)單片機處理后輸出相應(yīng)的控制信號，通過D/A轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，將模擬信號放大及電平轉(zhuǎn)換后輸入到電流反饋控制電路中，使其輸出相應(yīng)的電流值。

本系統(tǒng)采用串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路控制電流的穩(wěn)定輸出,將增量型PID控制算法與PWM脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，電路中引入采樣電流反饋，構(gòu)成了基于數(shù)字控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng),通過對采樣電流的準(zhǔn)確控制，以實現(xiàn)對負(fù)載電流的準(zhǔn)確控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路按照功能可分為電流反饋控制電路和數(shù)控電路。電流反饋控制電路是電流的生成單元，控制信號通過此電路產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流。因此電流反饋控制電路的精確性、穩(wěn)定性以及帶負(fù)載能力決定著整個系統(tǒng)的性能[7]。數(shù)控電路是恒流源的控制單元，其主要實現(xiàn)對恒流源電路的輸出控制，實現(xiàn)輸出電流值的可調(diào)操作，以及控制過程和輸出結(jié)果的可視化操作[8]。

2.2.1 電流反饋控制電路

電流反饋控制電路是整個恒流源電路系統(tǒng)設(shè)計的核心，電路如圖2所示。

圖2 電流反饋控制電路

此部分電路設(shè)計選用高輸入阻抗運算放大器CA3140作為放大元件，利用SG3524作為PWM控制芯片。另外，采用串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路和PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成的開關(guān)恒流源電路，通過PID控制器調(diào)節(jié)采樣電流與設(shè)定電流的偏差值，從而控制PWM電路輸出的脈沖頻率。同時，我們采用了DC-DC和光電耦合器隔離，不僅滿足了觸發(fā)電路對于電源的需求，而且很好地實現(xiàn)了高壓電路與低壓電路的隔離，保證了電路的安全。反饋增量式PID控制器的使用，有效地提高了調(diào)節(jié)速度，充分滿足了系統(tǒng)對于實時性的要求。

2.2.2 D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路

考慮到恒流源對輸出電流范圍的要求和盡可能的提高輸出分辨率，在電路設(shè)計中D/A模塊需要滿足的分辨率為0.000 5，即需要分辨率為11位的D/A轉(zhuǎn)換器。我們選擇的是16位精度的MAX541。其引腳功能見表1。

表1 MAX541引腳功能

D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

(a) D/A轉(zhuǎn)換電路

(b) A/D 轉(zhuǎn)換電路

為了精確測量輸出電流，選用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1211。它具有高精度、高動態(tài)范圍且內(nèi)含自校正∑-Δ轉(zhuǎn)換器，有較高的分辨能力，能夠采樣毫伏級信號，實現(xiàn)輸出電流的反饋。

2.2.3 數(shù)控電路

數(shù)控電路部分是恒流源實現(xiàn)數(shù)字化控制的核心。系統(tǒng)以STM32為核心，利用D/A轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)恒流源輸出電流大小的控制，利用A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)輸出電流的測量，利用鍵盤和顯示電路實現(xiàn)人機交互。其中，采用4×4矩陣鍵盤[9]，用于電流給定值的數(shù)字化設(shè)定。0～9十個數(shù)字鍵，用于輸入的量值；一個符號“.”；一個設(shè)定鍵，用來開始設(shè)定輸入量值；一個運行鍵，用于啟動系統(tǒng)；兩個步進調(diào)整鍵“+”、“-”用于電流值的步進調(diào)整。

考慮到電流設(shè)定值和實測值等4個量值和系統(tǒng)狀態(tài)信息的顯示，系統(tǒng)采用點陣式128×64型LCD12864液晶顯示器。該模塊接口方式靈活，操作指令簡單、方便，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面；可以顯示8×4行，16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。

2.2.4 保護電路的設(shè)計

保護電路如圖4所示。

采用LM339構(gòu)成的單限比較器用于電路的開路和短路保護。恒流源短路時，采樣電流大于2 000 mA,輸出電壓大于1 V，因此短路保護比較器的Vin選用1.2 V左右。恒流源斷路時，兩端子之間的電壓接近滿量程24 V，根據(jù)分壓原理可知,斷路比較器的Vin應(yīng)接近8 V。當(dāng)恒流源短路或斷路時，輸出為低電平，反饋給PWM，讓其停止，從而達(dá)到保護功能。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖4 保護電路

圖5 系統(tǒng)控制主程序流程

系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、按鍵檢測、給定值讀入以及執(zhí)行相應(yīng)的鍵盤散轉(zhuǎn)程序。

4 系統(tǒng)調(diào)試與指標(biāo)測試

4.1 測試儀器與方法

調(diào)試采用自上而下、模塊化調(diào)試的方法，先進行分塊調(diào)試，然后連調(diào)，提高了測試效率。測試使用的儀器設(shè)備見表2。

4.2 測試數(shù)據(jù)

供電電壓與負(fù)載變化時電流設(shè)定值與采樣值測試數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

(a) 24VDC供電，負(fù)載為5 Ω時電流設(shè)定值與采樣值測試數(shù)據(jù)曲線

(b) 20VDC供電，負(fù)載為5 Ω時電流設(shè)定值與采樣值測試數(shù)據(jù)曲線

(c) 24VDC供電，負(fù)載為10 Ω時電流設(shè)定值與采樣值測試數(shù)據(jù)曲線

24VDC供電，負(fù)載為5 Ω時進行測試，其部分?jǐn)?shù)據(jù)測試結(jié)果見圖6(a)。20VDC供電，負(fù)載為5 Ω時測試，其部分?jǐn)?shù)據(jù)測試結(jié)果見圖6(b)。24VDC供電，負(fù)載為10 Ω時測試，其部分?jǐn)?shù)據(jù)測試結(jié)果見圖6(c)。

將設(shè)定電流以10 mA步進從0～2 000 mA進行了采樣測試，將采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過excel進行擬合,得出了采樣電流與設(shè)定電流的擬合直線：

(5)

分別在25%、50%、75%、100%這4種負(fù)載狀態(tài)下對電源的效率進行測試，得到4種負(fù)載狀態(tài)下的效率平均值，同時對輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流進行了測量，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3。

表3 在25%、50%、75%、100%這4種負(fù)載狀態(tài)下的效率的平均值

續(xù)表3

由測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知,恒流源系統(tǒng)的效率達(dá)到75%以上。

恒流源電路的輸出電流在0～2 000 mA范圍內(nèi)連續(xù)變化，電源的效率高、線性度好，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、安全、穩(wěn)定的優(yōu)點。此恒流源可作為磁流變阻尼器的驅(qū)動電源，也可應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)以STM32單片機為核心，以串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路控制電流的穩(wěn)定輸出,將增量型PID控制算法與PWM脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，引入采樣電流反饋，構(gòu)成基于數(shù)字控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng),通過對采樣電流的準(zhǔn)確控制，實現(xiàn)了對負(fù)載電流的準(zhǔn)確控制。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制并且應(yīng)用了積分控制，具有效率高，調(diào)節(jié)快速無超調(diào)，動態(tài)抗干擾性能好、可靠性和性價比高等特點，具有較好的推廣使用價值。

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A high-precision PID controlled constant current source

LIU Lu, CHENG Fangxiao*, WANG Haibiao

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The current output of the tandem switching voltage circuit is controlled with increment PID algorithm and pulse width modulation (PWM) technology. The system is with MCU as real-time control core, keyboard control, LCD display. A/D sampling and D/A modules are used to realize constant current control.

MCU; constant flow control; PID control; PWM; no static error.

2017-03-15

吉林省科技廳基金資助項目(20170204038SF)

劉 璐(1992-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測控技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:liulu_myflora@163.com. *通訊作者：程方曉(1969-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事測控技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:chengfangxiao@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.13

TM 933.1

A

1674-1374(2017)03-0282-07