基于模糊控制的恒流源

摘要：恒流源在各種電子設(shè)備中的應(yīng)用越來越多，其性能的好壞直接影響著整個設(shè)備的性能表現(xiàn)。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(shè)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(xiàn)20mA到2000mA高精度恒流源。
關(guān)鍵詞：恒流源；模糊控制；ARM9處理器S3C2410

0 引言
    各種電子設(shè)備中，電源都是關(guān)鍵的部件，其性能影響著整個設(shè)備的性能指標。應(yīng)用中大多數(shù)是電壓源，但工業(yè)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(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器是一種電流型驅(qū)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(shù)指標。為了使電流源的性能更好，充分發(fā)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(xiàn)代電子設(shè)備對恒流源越來越苛刻的要求。

1 總體方案概述
    本設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(jiān)控。硬件電路恒流控制部分采用精密運算放大器構(gòu)成閉環(huán)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(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。

2 控制原理與控制器設(shè)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(chuàng)建以來，模糊控制理論及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)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(chǔ)的一種智能控制。模糊控制對數(shù)學(xué)模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學(xué)模型，并具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。模糊控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。

2．2 模糊控制器的設(shè)計
    模糊控制器首先要根據(jù)輸入輸出變量的數(shù)量確定系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和模糊推理類型，然后確定各個變量的取值區(qū)間即論域。其次根據(jù)專家經(jīng)驗劃分各變量的模糊子集并確定各子集的隸屬函數(shù)，其中模糊子集的劃分要使相鄰子集隸屬函數(shù)相交點處隸屬度為0．2～0．5左右。最后建立模糊控制規(guī)則，即根據(jù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shù)形式輸出。結(jié)合本系統(tǒng)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(shù)
    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(jù)專家經(jīng)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(guī)則
    為了便于模糊規(guī)則在微處理器的實現(xiàn)，可以利用matlabi進行輔助設(shè)計。運用matlab的模糊工具箱構(gòu)建模糊控制器的推理過程，并把所對應(yīng)的模糊推理表的數(shù)據(jù)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(guān)情況如圖3所示。

    根據(jù)matlab生成的數(shù)據(jù)得到模糊推理表，如表1所示。在S3C2410處理器中構(gòu)建該表用作模糊推理。

2．2．4 電流測量采樣電路的設(shè)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(shè)計
3．1 電源電路
    在本系統(tǒng)中，設(shè)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(jīng)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(wěn)壓集成電路驅(qū)動達林頓管，使電源輸出電流能達到2000mA，以達到設(shè)計指標。

3．2 恒流源電路的設(shè)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(gòu)成反饋電路，形成閉環(huán)。
 
4 系統(tǒng)主程序的設(shè)計
    軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、步進加減、鍵盤掃描、模糊算法的執(zhí)行等功能。為將所有任務(wù)有序地組織起來，軟件系統(tǒng)采用前后臺結(jié)構(gòu)。

    對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模糊算法和對時間沒有實時要求的任務(wù)如鍵盤掃描、液晶顯示都放在主循環(huán)中。A／D、D／A轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運行，放在時基中斷服務(wù)子程序中運行，有效地保證了重要任務(wù)能及時被執(zhí)行。

5 結(jié)論
    根據(jù)實際系統(tǒng)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。