恒流脈沖電信號控制策略的研究*

李宏達，李 昊，王超明，薛宸浩，劉 健

（1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽110159；2.沈陽東科拉科技有限公司，遼寧 沈陽110000；3.南通大學，江蘇 南通226000）

恒流脈沖電信號源，即輸出電流為電流大小恒定的脈沖電流。由于電流類型為脈沖電流，使得在電路中，脈沖的幅度不會隨負載大小的變化而變化。作為一種常見的電子儀器脈沖電流源被廣泛地應用于電子電路、教學實驗和科學研究等領(lǐng)域。目前使用的大部分脈沖電流源因為其組成部分由分立元件構(gòu)成，所以存在空間利用率低、效率低、可信度低、運行流程復雜、易自損等缺陷，因而導致故障率高[1-3]。隨著單片機技術(shù)不斷地向更高點攀登，人們對以單片機為核心控制的數(shù)控電流源研究越發(fā)深入。由于STM32微處理器具有計算和控制等特點，數(shù)控電流源具有數(shù)字反饋、靈活易調(diào)及可視性好等特點，所以以單片機系統(tǒng)為核心而設(shè)計制造出來的新一代脈沖電流源電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉[4-6]。其可以快速準確處理各種采樣數(shù)據(jù)，然后把指令輸出到對應的控制電路，以至于由干擾信號引起的輸出電流的波動能夠被很好地抑制，從而使電路對電流的控制精度進一步提升。

1 恒流脈沖電信號源原理分析

恒流脈沖源以恒定電流產(chǎn)生電路為基礎(chǔ)，通過使用STM32微處理器作為控制核心，其輸出為恒定值的電脈沖信號。閉環(huán)控制模式為該電路的控制模式，同時在恒定電脈沖信號產(chǎn)生電路中對實時采集到的電流進行處理得到控制信號，從而控制輸出端產(chǎn)生恒定電脈沖信號。閉環(huán)控制模式使輸出電流紋波幅度降低以及數(shù)量減少。微控制器采用嵌入式STM32微處理器，通過PWM控制調(diào)節(jié)占空比的方法來調(diào)節(jié)電流，脈沖發(fā)生單元由電流源和功率放大等電路模塊組成實現(xiàn)將電壓轉(zhuǎn)換為電流，可以產(chǎn)生0~5mA的矩形可調(diào)脈沖電流，且該電流大小不隨負載的改變而變化。

2 硬件電路圖設(shè)計

恒流脈沖電信號源共分為以下幾個部分：單片機控制部分、運算放大電路部分、電脈沖信號產(chǎn)生部分、激勵部分、報警部分以及人機交互部分。恒流脈沖電信號源系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計方案

2.1 單片機控制模塊

本設(shè)計主要利用單片機STM32F103引腳，與顯示模塊、按鍵模塊、電壓升壓模塊、反饋模塊以及其他模塊的元器件相連接，完成單片機的主控制功能，從而使其他各模塊電路相互連接，使預設(shè)功能順利實現(xiàn)。通過軟件程序設(shè)置單片機各引腳的功能，來改變脈沖信號的頻率和占空比；PWM輸出接OP07放大器構(gòu)成的電壓跟隨器，用作隔離電路，保護單片機。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

2.2.1 供電芯片

該恒流脈沖電信號源采用外部5V直流外部電源供電，外部電源輸入的電壓通過線性電源穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓，進而得到持續(xù)穩(wěn)定的輸入電壓。此電源穩(wěn)壓模塊采用了ME6211-33芯片作為穩(wěn)壓芯片，同時擁有高紋波抑制率、低功耗、較低內(nèi)阻、超快響應的特點。

ME6211-33供電芯片具有以下幾個方面的特點：高精度輸出電壓，其精度誤差范圍在±2%以內(nèi)；輸出電壓可以以0.1V的步長從2.0V逐步增加到5.0V；較低的輸入輸出電壓差，可以在輸入/輸出為0.2V/80mA或0.4V/160mA這兩種狀態(tài)中選擇；輸入穩(wěn)定性好，平均誤差在0.05%/V以內(nèi)。ME6211-33供電芯片原理圖如圖2所示。

圖2 ME6211-33供電芯片原理圖

2.2.2 24V穩(wěn)壓電路

為了對LM324芯片所構(gòu)成的反饋放大模塊進行供電，需要一個能夠提供+24V的電源單元。此單元采用了LM7824芯片作為穩(wěn)壓芯片，濾除高低頻噪聲和去耦合等問題可以在穩(wěn)壓芯片附近配合電容值330μF、10μF和0.1μF的旁路電容，從而使24V直流電壓穩(wěn)定輸出。24V穩(wěn)壓電路原理圖如圖3所示。

圖3 24V穩(wěn)壓電路原理圖

2.2.3 5V穩(wěn)壓電路

為了給輸出端供電，需要一個電源提供5V的電壓。電源單元采用LM7805芯片作為穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓芯片周圍排布的旁路電容是用來濾除穩(wěn)壓芯片高頻噪聲和去耦合的，實現(xiàn)5V電壓的穩(wěn)定輸出。LM7805芯片集成度高，在電子制作中得到廣泛使用。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 5V穩(wěn)壓電路原理圖

2.2.4 36V電源電路

此電路用于提供一個穩(wěn)定的36V電壓。通過外部探針構(gòu)成兩個輸出端，并形成電壓差從而同人腦形成閉合回路，此時人腦作為負載接入回路。此電源單元還使用了二極管和+47μF的電容，用以通交流阻直流，從而配合STM32單片機的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)脈沖調(diào)節(jié)。36V穩(wěn)壓電路原理圖如圖5所示。

圖5 36V穩(wěn)壓電路原理圖

2.3 脈沖產(chǎn)生模塊

此模塊采用TC4426雙高速驅(qū)動芯片作為脈沖驅(qū)動，分別與MCU芯片和兩個輸出端相連，通過接收STM32單片機輸出的指令控制電路的斷開與閉合，TC4426芯片工作電流最高可達1.5A，最高可以承受0.5A的反向電流，工作電壓在4.5V-18V之間，能夠經(jīng)受最高5V的反向輸入電壓，具有鎖定保護功能，常使用于開關(guān)式電路、脈沖變壓驅(qū)動電路等中。TC4426脈沖產(chǎn)生模塊原理圖如圖6所示。

圖6 TC4426脈沖產(chǎn)生模塊原理圖

2.4 運放電路模塊

為了能夠產(chǎn)生恒定的脈沖電信號，故采用模糊PI電壓閉環(huán)反饋控制。電流通過MCU以可調(diào)頻率輸出的PWM控制模擬電子開關(guān)，實現(xiàn)了恒流源變成了脈沖源，脈沖源經(jīng)過控制場效應管CMOS 4的開和關(guān)實現(xiàn)電流控制，可調(diào)幅值可控頻率的脈沖電流源。具體設(shè)計圖如圖7所示。

圖7 運放電路模塊原理圖

CMOS管在放大區(qū)工作時，它的漏極-源極電流始終保持為一個定值，并且柵-源極電壓控制其強度，所以只要設(shè)法使CMOS管工作在放大區(qū)，就可以達到恒流控制，并且通過改變柵-源極的電壓就可以改變控制電流的大小。AO3400型號的CMOS管為N溝道管，結(jié)合了先進的溝槽MOSFET技術(shù)與低電阻封裝技術(shù)，可以提供極低的RDS，適合作為負載開關(guān)或在PWM應用。因此選擇AO3400 N溝道CMOS管作為開關(guān)管。

2.5 脈沖產(chǎn)生模塊

此模塊采用3.5mm耳機孔作為負載輸出，與MC14052B多路復用器直接相連，并設(shè)置一個采樣電阻，起到采樣對比反饋的作用。MC14052B工作的電源電壓范圍為3.0V-18V，能傳輸20V以下的A/D信號。常用在AD轉(zhuǎn)換電路的前級，做多路模擬信號的輸入切換，具體設(shè)計圖如圖8所示。

圖8 脈沖產(chǎn)生模塊原理圖

MC14052B的控制端由兩個CMOS管實現(xiàn)，兩個CMOS管的開/關(guān)進行控制，分別實現(xiàn)不同功能。

2.6 電源穩(wěn)壓模塊

采用BC817型號的NPN三極管組成步進升壓電路，用于將VCC電壓從9V升壓成15V，具體示意圖如圖9所示。

圖9 電源模塊原理圖

3 軟件方案設(shè)計

3.1 軟件控制流程

軟件平臺采用Keil μ Vision5集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言進行編譯，采用ST-LINK進行程序的下載與調(diào)試。主要通過對STM32系列MCU進行編程，設(shè)定好輸出的電流、電壓強度，脈沖的頻率等參數(shù)，通過脈沖產(chǎn)生模塊輸出一個穩(wěn)定的脈沖電流，通過外部電極形成回路，進而產(chǎn)出電刺激。通過設(shè)置中斷進行反饋補償，進而進行下一步的參數(shù)設(shè)置和調(diào)整。如圖10為MCU初始設(shè)置框圖。

圖10 MCU初始設(shè)置框圖

3.2 模糊PI控制器設(shè)計

模糊PI控制器是利用模糊規(guī)則，根據(jù)偏差e和偏差變化率ec的變化實時調(diào)整PI的兩個增益參數(shù)kp、ki，從而使整個系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進一步得到提升。其控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。

圖11 模糊PI控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖11 所表示的模糊PI控制器e和ec為控制器的兩個輸入變量，經(jīng)過模糊控制輸出表調(diào)整過的2個PI參數(shù)Δkp、Δki為兩個輸出變量。本文模糊子集的隸屬函數(shù)為三角型隸屬度函數(shù)[7]，用重心法[8]進行解模糊。其中e、ec、Δkp、Δki的模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素分別對應負大、負小、零、正小、正大。設(shè)輸出電流設(shè)定值與檢測值之間的差值為e，差值變化率為ec，輸出控制量為U且其基本論域為-2%~2%，由此可得量化論域為[-2，2]。

根據(jù)恒流脈沖電信號源特性以及控制要求，建立模糊規(guī)則應滿足以下要求：

（1）在輸脈沖電流誤差e<0的情況下，當e值為NB時，若誤差變化率ec<0，為了消除并抑制誤差e的值增大，所以取輸出控制量U為正大。

（2）在輸脈沖電流誤差e<0且誤差變化量ec>0的情況下，此時系統(tǒng)誤差處于低水平，所以想快速消除誤差同時保證不超調(diào)，此時的輸出控制量U為較小值。

（3）當系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時，輸出電流誤差e為NS，若誤差變化ec<0，則U>0導致抑制誤差向負方向發(fā)展；反之，若ec>0時，此時系統(tǒng)向消除負小誤差的趨勢發(fā)展，因此輸出控制量U為正小。

根據(jù)恒流脈沖電信號電源輸出電流誤差e和誤差變化率ec的相關(guān)聯(lián)性，以及二者對恒流脈沖電信號電源系統(tǒng)本身的影響，制作本文的模糊控制規(guī)則表，見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

式中，m為控制量的量化級數(shù)，g（vj）為控制量對應的隸屬度函數(shù)。k是指與模糊控制規(guī)則所對應的控制器輸出量U的參數(shù)值。

解模糊后得到控制量kp、ki，對PI控制器的比例增益及積分增益進行調(diào)整并完成PI控制器的參數(shù)整定。

4 恒流脈沖電信號源輸出實驗

為了驗證恒流脈沖電信號源對不同負載輸出電流的穩(wěn)定性，對此信號源進行放電實驗，搭建實驗平臺部分實物如圖12所示。實驗平臺主要由恒流脈沖電信號源、不同阻值的采樣電阻和示波器等器件構(gòu)成。將示波器和萬用表分別接在負載及采樣電阻兩端，并實時記錄電流和電壓數(shù)值，最后進行相互比較，以確保負載和采樣電阻兩端的電壓和電流具有相應變化。負載兩端的脈沖電流波形如圖13所示。

圖13 示波器顯示負載兩端脈沖電流波形

為了保證所設(shè)計的恒流脈沖電流源的恒流作用，對于不同的負載，能通過調(diào)節(jié)電壓的變化使得電流不隨負載電阻的改變而變化，因此對于負載電阻的電流大小進行了測量，其測量結(jié)果如圖14所示，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖14 不同負載的輸出電流值

表2 不同負載情況下的電壓值

從以上數(shù)據(jù)可知，對于不同負載，其輸出的恒流脈沖電信號始終保持在一個定值，且一組的恒流脈沖電信號值為5mA，另一組為3mA，可以證明加入模糊PI控制算法的系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性，符合實際應用系統(tǒng)要求。

5 結(jié)束語

本文針對恒流脈沖電信號源控制策略進行研究，對恒流脈沖電信號源的工作原理進行分析，發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)相當于一個開環(huán)，難以滿足其恒流源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此模糊PI控制法由此提出。通過實驗對模糊PI控制方法進行研究分析得出，與原系統(tǒng)相比系統(tǒng)超調(diào)量有明顯減少，輸出性能受到的影響大大降低，從而使系統(tǒng)工作更加平穩(wěn)。使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠，從而提升了恒流脈沖電信號源的工作性能，能更好適應實際需求。