高精度PID控制恒流源

劉 璐， 程方曉， 王海彪

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 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

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

采用增量型PID控制算法和脈寬調制技術(PWM)控制串聯開關型穩壓電路的電流輸出。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轉換實現恒流控制。

微處理器； 恒流控制； PID控制； PWM； 無靜差

0 引 言

目前國內的直流恒流源主要利用單片機和可編程系統器件(Programmable System Device，PSD)控制開關直流穩壓電源或數字化電壓單元以達到數控的目的，其智能化程度較低。現在市場上廣泛流通的大部分恒流源產品的精度和穩定性又較低，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、磁阻效應及光電池特性測量等大學物理實驗中廣泛應用[1]。傳統的恒流源往往采用電位器調節輸出電流，不僅無法實現精確步進，且精度較低[2]。目前，恒流源的發展面向數字化，多采用模數和數模轉換器以實現數字化控制，具有高精度、高穩定性、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轉換器MAX541和24位高精度的A/D轉換器ADS1211,實現了高精度數控直流恒流源的設計，該恒流源的輸出電流可在0～2 000 mA內任意設定，具有輸出電流范圍寬、不隨負載和環境溫度變化而變化，且輸出電流精度高、誤差小等特點，在大多數需要高穩定、小功率恒流源的領域具有使用價值。

1 增量型PID控制

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

傳統PID控制器的理想化方程為:

(1)

式中：KP----比例放大系數;

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誤差，從而減少穩態誤差。除了系統的控制輸入為零和系統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態誤差；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。為了減小穩態誤差，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,使穩態誤差減小，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，自動控制系統中，微分項的引入是由于較大的慣性組件(環節)或滯后組件的存在，使在調節的過程中可能會出現過沖甚至振蕩。

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

(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;

KI----積分系數;

KD----微分系數。

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 恒流源系統設計

2.1 系統結構框圖

恒流源系統主要由電流反饋控制電路、A/D和D/A轉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置，經單片機處理后輸出相應的控制信號，通過D/A轉換將其轉換為模擬信號，將模擬信號放大及電平轉換后輸入到電流反饋控制電路中，使其輸出相應的電流值。

本系統采用串聯開關型穩壓電路控制電流的穩定輸出,將增量型PID控制算法與PWM脈寬調制技術相結合，電路中引入采樣電流反饋，構成了基于數字控制器的閉環控制系統,通過對采樣電流的準確控制，以實現對負載電流的準確控制。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2.2 硬件電路設計

系統的硬件電路按照功能可分為電流反饋控制電路和數控電路。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生相應的輸出電流。因此電流反饋控制電路的精確性、穩定性以及帶負載能力決定著整個系統的性能[7]。數控電路是恒流源的控制單元，其主要實現對恒流源電路的輸出控制，實現輸出電流值的可調操作，以及控制過程和輸出結果的可視化操作[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設計的核心，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，采用串聯開關型穩壓電路和PID調節器構成的開關恒流源電路，通過PID控制器調節采樣電流與設定電流的偏差值，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，不僅滿足了觸發電路對于電源的需求，而且很好地實現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，有效地提高了調節速度，充分滿足了系統對于實時性的要求。

2.2.2 D/A和A/D轉換電路

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轉換電路如圖3所示。

(a) D/A轉換電路

(b) A/D 轉換電路

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

2.2.3 數控電路

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

考慮到電流設定值和實測值等4個量值和系統狀態信息的顯示，系統采用點陣式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 保護電路的設計

保護電路如圖4所示。

采用LM339構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，根據分壓原理可知,斷路比較器的Vin應接近8 V。當恒流源短路或斷路時，輸出為低電平，反饋給PWM，讓其停止，從而達到保護功能。

3 軟件設計

軟件設計流程如圖5所示。

圖4 保護電路

圖5 系統控制主程序流程

系統主程序主要實現系統初始化、按鍵檢測、給定值讀入以及執行相應的鍵盤散轉程序。

4 系統調試與指標測試

4.1 測試儀器與方法

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

4.2 測試數據

供電電壓與負載變化時電流設定值與采樣值測試數據曲線如圖6所示。

(a) 24VDC供電，負載為5 Ω時電流設定值與采樣值測試數據曲線

(b) 20VDC供電，負載為5 Ω時電流設定值與采樣值測試數據曲線

(c) 24VDC供電，負載為10 Ω時電流設定值與采樣值測試數據曲線

24VDC供電，負載為5 Ω時進行測試，其部分數據測試結果見圖6(a)。20VDC供電，負載為5 Ω時測試，其部分數據測試結果見圖6(b)。24VDC供電，負載為10 Ω時測試，其部分數據測試結果見圖6(c)。

將設定電流以10 mA步進從0～2 000 mA進行了采樣測試，將采集來的數據經過excel進行擬合,得出了采樣電流與設定電流的擬合直線：

(5)

分別在25%、50%、75%、100%這4種負載狀態下對電源的效率進行測試，得到4種負載狀態下的效率平均值，同時對輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流進行了測量，選取部分數據見表3。

表3 在25%、50%、75%、100%這4種負載狀態下的效率的平均值

續表3

由測量數據的統計分析可知,恒流源系統的效率達到75%以上。

恒流源電路的輸出電流在0～2 000 mA范圍內連續變化，電源的效率高、線性度好，同時具有結構簡單、安全、穩定的優點。此恒流源可作為磁流變阻尼器的驅動電源，也可應用于其他領域。

5 結 語

系統以STM32單片機為核心，以串聯開關型穩壓電路控制電流的穩定輸出,將增量型PID控制算法與PWM脈寬調制技術相結合，引入采樣電流反饋，構成基于數字控制器的閉環控制系統,通過對采樣電流的準確控制，實現了對負載電流的準確控制。系統采用閉環控制并且應用了積分控制，具有效率高，調節快速無超調，動態抗干擾性能好、可靠性和性價比高等特點，具有較好的推廣使用價值。

[1] 吳茂成.高精度寬范圍恒流源設計[J].電測與儀表,2011(1):64-66.

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[3] 黃天辰，賈嵩，余建華，等．高精度數控直流恒流源的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2013(6)：27-29.

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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，長春工業大學碩士研究生，主要從事測控技術與智能系統方向研究,E-mail:liulu_myflora@163.com. *通訊作者：程方曉(1969-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業大學副教授，博士，主要從事測控技術與智能系統方向研究,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