基于模糊控制的恒流源

摘要：恒流源在各種電子設備中的應用越來越多，其性能的好壞直接影響著整個設備的性能表現。為了充分利用智能控制方法提高使恒流源的性能，提出一種基于模糊控制的恒流源。本設計方案采用三星公司ARM9 S3C2410高速嵌入式微處理器作為恒流源的控制、顯示和輸出電流檢測核心，運用模糊控制算法實時控制，實現20mA到2000mA高精度恒流源。
關鍵詞：恒流源；模糊控制；ARM9處理器S3C2410

0 引言
各種電子設備中，電源都是關鍵的部件，其性能影響著整個設備的性能指標。應用中大多數是電壓源，但工業上為了避免傳輸線路的電阻和電磁干擾，通常都采用電流源作為通信信號。在激光應用領域，半導體激光器是一種電流型驅動器件，其電源為恒流源，電流源性能的好壞直接影響到整個激光器裝置的技術指標。為了使電流源的性能更好，充分發揮智能控制的作用，提出了一種基于模糊控制的恒流源，通過模糊算法的控制使恒流源的性能更好，以滿足現代電子設備對恒流源越來越苛刻的要求。

1 總體方案概述
本設計采用三星公司的嵌入式ARM9 S3C2410處理器作為恒流源的控制和電流檢測核心，實現了20～2000mA的高精度模糊控制恒流源，如圖1所示。在處理器中運用模糊控制算法實現對于恒流源的實時控制，電流測量采用無溫度漂的康錳銅電阻絲作為取樣電阻，利用S3C2410外擴的A／D輸入口進行電流檢測和監控。硬件電路恒流控制部分采用精密運算放大器構成閉環反饋控制。電源部分采用大功率變壓器供電，多級電容濾除紋波干擾；電源輸出采用穩壓芯片進行穩壓。

2 控制原理與控制器設計
2．1 模糊控制
模糊控制屬于智能控制的一種，自1965年模糊控制被創建以來，模糊控制理論及其應用得到了迅速發展。模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為基礎的一種智能控制。模糊控制對數學模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數學模型，并具有良好的魯棒性和適應性。模糊控制系統的原理如圖2所示。

2．2 模糊控制器的設計
模糊控制器首先要根據輸入輸出變量的數量確定系統的基本結構和模糊推理類型，然后確定各個變量的取值區間即論域。其次根據專家經驗劃分各變量的模糊子集并確定各子集的隸屬函數，其中模糊子集的劃分要使相鄰子集隸屬函數相交點處隸屬度為0．2～0．5左右。最后建立模糊控制規則，即根據輸入量的模糊子集確定輸出量的模糊子集。
2．2．1 選擇模糊系統的結構及其邏輯算法
模糊控制器選用采樣電壓的偏差e和偏差變化率ec作為輸入量，因此該模糊控制器為二維模糊控制器。模糊推理類型主要有兩種：Mamd ani和Sugeno，兩者的主要差別在輸出量的類型上，Mamdani是以模糊子集的形式輸出，而Sugeno則采用具體的函數形式輸出。結合本系統的特點，模糊控制器的推理選用Mamdani推理。
2．2．2 輸入輸出變量的論域、模糊子集和隸屬函數
采樣電壓最大值為2V，所以其模糊集上的論域e，ec={-2，2}。根據專家經驗選取其模糊子集e={-2，-1．5，-1，0，1，1．5，2)，記為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；ec={-2，-1．5，-1，0，1，1．5，2}，記為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；
2．2．3 建立模糊規則
為了便于模糊規則在微處理器的實現，可以利用matlabi進行輔助設計。運用matlab的模糊工具箱構建模糊控制器的推理過程，并把所對應的模糊推理表的數據記錄下來，在微處理器中模糊推理使用。輸出變量和輸出變量之間的整體相關情況如圖3所示。

根據matlab生成的數據得到模糊推理表，如表1所示。在S3C2410處理器中構建該表用作模糊推理。

2．2．4 電流測量采樣電路的設計
恒流源的輸出電流值由圖4中的康錳銅電阻絲R2決定，通過測量康錳銅電阻絲的兩端電壓來測量恒流源的輸出電流。

3 電路的硬件設計
3．1 電源電路
在本系統中，設計輸出最大電流2000mA，且對紋波的要求非常高，電源部分的電路圖如圖5所示。220V交流經過變壓器后，輸出約±20V交流電壓，再進行整流、濾波。采用三端穩壓集成電路驅動達林頓管，使電源輸出電流能達到2000mA，以達到設計指標。

3．2 恒流源電路的設計
恒流源電路如圖6所示。其中，由運算放大器輸出的電流較小，該電路加了擴流電路。采用達林頓管作為運算放大器的擴流器件。運用放大器構成反饋電路，形成閉環。

4 系統主程序的設計
軟件系統的任務主要有A／D轉換、D／A轉換、步進加減、鍵盤掃描、模糊算法的執行等功能。為將所有任務有序地組織起來，軟件系統采用前后臺結構。

對于結構復雜的模糊算法和對時間沒有實時要求的任務如鍵盤掃描、液晶顯示都放在主循環中。A／D、D／A轉換任務需要定周期運行，放在時基中斷服務子程序中運行，有效地保證了重要任務能及時被執行。

5 結論
根據實際系統測試，給定電流在1000mA，在負載電壓變化時，如圖8所示，輸出電流變化絕對值較小，恒流特性非常理想。