一种基于DSP的恒流源控制方法

王 宸, 程啸天, 杨良勇

(1.安徽师范大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000;2.安徽师范大学 教务处，安徽 芜湖 241000;3.安徽华明航空电子系统有限公司，安徽 芜湖 241001)

关键字：恒流源;数字化调控;PI算法

引 言

恒流源大量用于激光器的驱动电源，而激光器产业已经成为国内外迅速发展的尖端产业。由于激光具有单色性、相干性、方向性和高能量的特点，使其在精密加工、3D打印等先进领域得到广泛应用[1]。由于激光器的电源为恒流源，所以激光器的性能优劣几乎完全完全取决于恒流源输出的功率和稳定性。传统的恒流源多用模拟负反馈进行控制，但由于信号干扰、温度、设备老化等因素，使得电源的参变量发生变化，输出电流很难得到高精度控制。

PID控制方法简单、工作稳定性高、参数调整方便。本文提出一种基于DSP控制的改进型的PI算法，完成了该算法在DSP芯片控制过程中的具体实现方式。通过该算法，可实现对恒流源输出的稳定控制。

1 系统硬件设计

本文设计了一种以脉冲信号调制的恒流源，主要由恒流驱动电路、采样控制电路和数字显示电路组成。其输出范围最高可达10A，输出电流大小和输出电流精度均可进行数字化控制，方便用于各种不同种类的激光器，以适应多个工作环境[2]。

图1 恒流源硬件框图

其硬件基本框图如图1：

整个电路由负反馈控制，采集单元得到恒流驱动模块的输出电流，经过A/D转换后提供给DSP芯片，DSP芯片得到采集后的值通过控制信号改变数字电位器的值[3]，起到稳定输出电流的作用；同时，通过改变DSP的脉冲的占空比，对最后输出直流的大小进行调节。

2 恒流驱动单元

图2 恒流驱动原理图

本文选择SPW35N60CFD为功率MOSFET，该功率MOSFET可变电阻区短、沟道调制系数低、调整幅度大[4]。结合整体设计框图，恒流驱动单元原理图如图2：

其中Vf为基准电压，Vm为DSP芯片产生的PWM调制信号。RS为0-10K的数字电位器，Re为采样电阻。A0为加法器，A1、A2为放大器。S0、S1、S2分别对应运放A0、A1、A2的输出。

基准电压Vf与DSP芯片调制信号Vm经过加法器相加，得到一个低电平大于0的PWM信号。以此来满足A0、A1运放芯片的正常工作时所需的正向电压。运放A2根据负反馈的值来控制功率MOSFET的输出电流。同时，A/D转换单元将采样电阻Re采样的电压信号转换为数字信号输入DSP芯片，DSP芯片通过改变数字电位器RS的值来控制放大器A2的输出，再回馈到A1形成负反馈调节，从而稳定电流的大小。

通过放大器虚短虚断的特性，可以对漏极电流ID做如下计算：

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

(1)

Vh=IDRek2

(2)

又因VGS=f(ID)，所以：

(3)

其中，K1为运放A1的放大系数；K2为运放A2的放大系数，其值与数字电位器Rs有关；f(ID)为漏极电流ID与栅源电压VGS的函数关系，是由SPW35N60CFD的功率特性所决定的。

3 基于DSP的恒流源调控方法

在本文设计的恒流源中，DSP芯片控制过程是离散型的数值计算。但只要采样频率足够快，可使离散性的控制过程近似于连续控制过程，同样可使恒流源的输出电流精确度很高[5]。

图3 反馈控制原理图

在本文的恒流源设计中，DSP芯片的控制方式是通过三个阶段实现的。下面结合图3详细解释整个采集反馈控制的具体过程。

采样电阻两端的电压UF作为运放YF2的输入端，通过调节R16的阻值，使运放YF2至合适的增益。再将其输出送至运放YF1构成的减法器的输入端，与设定的基准电压进行比较，比较的输出经过放大送到功率MOSFET的栅极，进而控制输出电流的大小。

为了保证该电源系统的稳定性和可靠性，采用低电流预热的方式来防止电流的过冲。因此，在恒电源启动时，提供P1.0端口一个低电平信号，使光耦工作，经三极管驱动继电器吸合，电路工作在低电流的支路。待电流稳定，P1.0端口赋值高电平，继电器工作在电流可调模式。实验发现，当恒流源以小电流工作运行时，再调节电流的大小，其电流过冲的幅度远小于直接调节时电流过冲的幅度。

DSP对恒流源的电流调控主要分为三个阶段：

采样阶段：在电路中将采样电阻Re与负载串联，当功率MOSFET的输出电流ID流经采样电阻Re时，将在采样电阻Re上的两端产生一个电压U0，采集的电压信号经过放大处理和A/D转换，得到输出信号Um。

比较阶段：放大后的输出信号Um作为DSP芯片的输入信号，将Um信号与DSP芯片比较寄存器中的预设值Ut进行比较，从而得出Um与Ut的差值St。

将差值St与预先设置在寄存器中的σ进行比较。若Stδ，则DSP芯片的输出赋值保持不变；若St>δ,DSP芯片则根据算法得到新的赋值取代当前输出赋值。

图4 DSP控制流程图

控制阶段：DSP芯片控制对象为量程为0～1K的RS数字电位器，最小步进电阻为10Ω，对应其赋值范围在0～100之间。DSP芯片根据算法的得到的输出赋值输入数字电位器RS中，从而改变数字电位器RS的电阻值。当RS的阻值变大时，运放A2的输出S2变大，从而运放A1的输出S1减小，即功率MOSFET的UDS的电压减小，漏极电流ID降低；反之当RS的阻值变小时，运放A2的输出S2变小，从而运放A1的输出S1变大，即功率MOSFET的UDS的电压增大，漏极电流ID的值升高。

以上为DSP芯片使恒流源电流保持稳定的控制过程。上述所述控制流程图如图4所示：

通过对参考电压Ut和阈值σ的设置，可使恒流源适用于各种不同规格要求的激光管和精度不同的工作环境，大大提升了恒流源的兼容性和适用性。

4 实验结果分析

实验中，因二极管硅堆与半导体激光器本身特性接近，所以选取了串联硅堆作为恒流源的测试负载[6]。本文选取了单路恒流源作为测试对象，对其温度变化、输入输出波形以及电流稳定性做出详细测试。

图5 恒流源输出曲线

对输出负载进行测量，得到以下数据。

由图5可以看出，恒流源输出为近似PWM波的输出信号。上升沿和下降沿都很窄，变化速度快。上升部分整体变化平稳，没有出现过冲的现象。

恒流输出的稳定度是体现恒流源输出优劣的一个最重要的指标。本文在对设备经过两分钟的预热工作后为零时间点，每间隔五分钟以DLA-100A高精度电流表对输出电流做出详细测试。

表1、表2、表3分别为占空比为20%、50%、80%时，恒流源的输出电流：

表1 20%占空比恒流源输出电流

表2 50%占空比恒流源输出电流

表3 80%占空比恒流源输出电流

根据表格中时间和电流的关系，通过MATLAB做出不同占空比下的折线图6:

通过以上图表可以看出，输出电流的稳定度可保持在百分位不变，可见DSP芯片对电流稳定性的提升起到了优秀的调控作用。

5 结 论

本文设计的数字化恒流源软硬件，可通过模拟负载测试，实现了预订设计目标。相比市面上大部分恒电源，本文设计的恒流源使用方便、兼容性高、输出更加稳定可靠，可用于激光镌刻、3D打印、器件加工等高精度场合，完全满足了设计需求。同时简化了外围电路、降低了生产成本，更适合在市场上大规模生产。

图6 恒流源输出稳定性