王 宸, 程嘯天, 楊良勇

(1.安徽師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.安徽師范大學(xué) 教務(wù)處，安徽 蕪湖 241000;3.安徽華明航空電子系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241001)

關(guān)鍵字：恒流源;數(shù)字化調(diào)控;PI算法

引 言

恒流源大量用于激光器的驅(qū)動電源，而激光器產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國內(nèi)外迅速發(fā)展的尖端產(chǎn)業(yè)。由于激光具有單色性、相干性、方向性和高能量的特點(diǎn)，使其在精密加工、3D打印等先進(jìn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。由于激光器的電源為恒流源，所以激光器的性能優(yōu)劣幾乎完全完全取決于恒流源輸出的功率和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的恒流源多用模擬負(fù)反饋進(jìn)行控制，但由于信號干擾、溫度、設(shè)備老化等因素，使得電源的參變量發(fā)生變化，輸出電流很難得到高精度控制。

PID控制方法簡單、工作穩(wěn)定性高、參數(shù)調(diào)整方便。本文提出一種基于DSP控制的改進(jìn)型的PI算法，完成了該算法在DSP芯片控制過程中的具體實(shí)現(xiàn)方式。通過該算法，可實(shí)現(xiàn)對恒流源輸出的穩(wěn)定控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種以脈沖信號調(diào)制的恒流源，主要由恒流驅(qū)動電路、采樣控制電路和數(shù)字顯示電路組成。其輸出范圍最高可達(dá)10A，輸出電流大小和輸出電流精度均可進(jìn)行數(shù)字化控制，方便用于各種不同種類的激光器，以適應(yīng)多個工作環(huán)境[2]。

圖1 恒流源硬件框圖

其硬件基本框圖如圖1：

整個電路由負(fù)反饋控制，采集單元得到恒流驅(qū)動模塊的輸出電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后提供給DSP芯片，DSP芯片得到采集后的值通過控制信號改變數(shù)字電位器的值[3]，起到穩(wěn)定輸出電流的作用；同時，通過改變DSP的脈沖的占空比，對最后輸出直流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 恒流驅(qū)動單元

圖2 恒流驅(qū)動原理圖

本文選擇SPW35N60CFD為功率MOSFET，該功率MOSFET可變電阻區(qū)短、溝道調(diào)制系數(shù)低、調(diào)整幅度大[4]。結(jié)合整體設(shè)計(jì)框圖，恒流驅(qū)動單元原理圖如圖2：

其中Vf為基準(zhǔn)電壓，Vm為DSP芯片產(chǎn)生的PWM調(diào)制信號。RS為0-10K的數(shù)字電位器，Re為采樣電阻。A0為加法器，A1、A2為放大器。S0、S1、S2分別對應(yīng)運(yùn)放A0、A1、A2的輸出。

基準(zhǔn)電壓Vf與DSP芯片調(diào)制信號Vm經(jīng)過加法器相加，得到一個低電平大于0的PWM信號。以此來滿足A0、A1運(yùn)放芯片的正常工作時所需的正向電壓。運(yùn)放A2根據(jù)負(fù)反饋的值來控制功率MOSFET的輸出電流。同時，A/D轉(zhuǎn)換單元將采樣電阻Re采樣的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入DSP芯片，DSP芯片通過改變數(shù)字電位器RS的值來控制放大器A2的輸出，再回饋到A1形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)，從而穩(wěn)定電流的大小。

通過放大器虛短虛斷的特性，可以對漏極電流ID做如下計(jì)算：

VGS=k1[(Vm+Vf)-Vh]

(1)

Vh=IDRek2

(2)

又因VGS=f(ID)，所以：

(3)

其中，K1為運(yùn)放A1的放大系數(shù)；K2為運(yùn)放A2的放大系數(shù)，其值與數(shù)字電位器Rs有關(guān)；f(ID)為漏極電流ID與柵源電壓VGS的函數(shù)關(guān)系，是由SPW35N60CFD的功率特性所決定的。

3 基于DSP的恒流源調(diào)控方法

在本文設(shè)計(jì)的恒流源中，DSP芯片控制過程是離散型的數(shù)值計(jì)算。但只要采樣頻率足夠快，可使離散性的控制過程近似于連續(xù)控制過程，同樣可使恒流源的輸出電流精確度很高[5]。

圖3 反饋控制原理圖

在本文的恒流源設(shè)計(jì)中，DSP芯片的控制方式是通過三個階段實(shí)現(xiàn)的。下面結(jié)合圖3詳細(xì)解釋整個采集反饋控制的具體過程。

采樣電阻兩端的電壓UF作為運(yùn)放YF2的輸入端，通過調(diào)節(jié)R16的阻值，使運(yùn)放YF2至合適的增益。再將其輸出送至運(yùn)放YF1構(gòu)成的減法器的輸入端，與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較的輸出經(jīng)過放大送到功率MOSFET的柵極，進(jìn)而控制輸出電流的大小。

為了保證該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用低電流預(yù)熱的方式來防止電流的過沖。因此，在恒電源啟動時，提供P1.0端口一個低電平信號，使光耦工作，經(jīng)三極管驅(qū)動繼電器吸合，電路工作在低電流的支路。待電流穩(wěn)定，P1.0端口賦值高電平，繼電器工作在電流可調(diào)模式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒流源以小電流工作運(yùn)行時，再調(diào)節(jié)電流的大小，其電流過沖的幅度遠(yuǎn)小于直接調(diào)節(jié)時電流過沖的幅度。

DSP對恒流源的電流調(diào)控主要分為三個階段：

采樣階段：在電路中將采樣電阻Re與負(fù)載串聯(lián)，當(dāng)功率MOSFET的輸出電流ID流經(jīng)采樣電阻Re時，將在采樣電阻Re上的兩端產(chǎn)生一個電壓U0，采集的電壓信號經(jīng)過放大處理和A/D轉(zhuǎn)換，得到輸出信號Um。

比較階段：放大后的輸出信號Um作為DSP芯片的輸入信號，將Um信號與DSP芯片比較寄存器中的預(yù)設(shè)值Ut進(jìn)行比較，從而得出Um與Ut的差值St。

將差值St與預(yù)先設(shè)置在寄存器中的σ進(jìn)行比較。若Stδ，則DSP芯片的輸出賦值保持不變；若St>δ,DSP芯片則根據(jù)算法得到新的賦值取代當(dāng)前輸出賦值。

圖4 DSP控制流程圖

控制階段：DSP芯片控制對象為量程為0～1K的RS數(shù)字電位器，最小步進(jìn)電阻為10Ω，對應(yīng)其賦值范圍在0～100之間。DSP芯片根據(jù)算法的得到的輸出賦值輸入數(shù)字電位器RS中，從而改變數(shù)字電位器RS的電阻值。當(dāng)RS的阻值變大時，運(yùn)放A2的輸出S2變大，從而運(yùn)放A1的輸出S1減小，即功率MOSFET的UDS的電壓減小，漏極電流ID降低；反之當(dāng)RS的阻值變小時，運(yùn)放A2的輸出S2變小，從而運(yùn)放A1的輸出S1變大，即功率MOSFET的UDS的電壓增大，漏極電流ID的值升高。

以上為DSP芯片使恒流源電流保持穩(wěn)定的控制過程。上述所述控制流程圖如圖4所示：

通過對參考電壓Ut和閾值σ的設(shè)置，可使恒流源適用于各種不同規(guī)格要求的激光管和精度不同的工作環(huán)境，大大提升了恒流源的兼容性和適用性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，因二極管硅堆與半導(dǎo)體激光器本身特性接近，所以選取了串聯(lián)硅堆作為恒流源的測試負(fù)載[6]。本文選取了單路恒流源作為測試對象，對其溫度變化、輸入輸出波形以及電流穩(wěn)定性做出詳細(xì)測試。

圖5 恒流源輸出曲線

對輸出負(fù)載進(jìn)行測量，得到以下數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，恒流源輸出為近似PWM波的輸出信號。上升沿和下降沿都很窄，變化速度快。上升部分整體變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。

恒流輸出的穩(wěn)定度是體現(xiàn)恒流源輸出優(yōu)劣的一個最重要的指標(biāo)。本文在對設(shè)備經(jīng)過兩分鐘的預(yù)熱工作后為零時間點(diǎn)，每間隔五分鐘以DLA-100A高精度電流表對輸出電流做出詳細(xì)測試。

表1、表2、表3分別為占空比為20%、50%、80%時，恒流源的輸出電流：

表1 20%占空比恒流源輸出電流

表2 50%占空比恒流源輸出電流

表3 80%占空比恒流源輸出電流

根據(jù)表格中時間和電流的關(guān)系，通過MATLAB做出不同占空比下的折線圖6:

通過以上圖表可以看出，輸出電流的穩(wěn)定度可保持在百分位不變，可見DSP芯片對電流穩(wěn)定性的提升起到了優(yōu)秀的調(diào)控作用。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化恒流源軟硬件，可通過模擬負(fù)載測試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)訂設(shè)計(jì)目標(biāo)。相比市面上大部分恒電源，本文設(shè)計(jì)的恒流源使用方便、兼容性高、輸出更加穩(wěn)定可靠，可用于激光鐫刻、3D打印、器件加工等高精度場合，完全滿足了設(shè)計(jì)需求。同時簡化了外圍電路、降低了生產(chǎn)成本，更適合在市場上大規(guī)模生產(chǎn)。

圖6 恒流源輸出穩(wěn)定性