基于增量式PID控制的數控恒流源

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，功率發射管等由于通電瞬間的電流非常大，所以對穩定其工作來說，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、容性負載的優點。理想的恒流源不會因負載的輸出電壓、環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，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、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。系統框圖如圖2所示。