恒流脉冲电信号控制策略的研究*

李宏达，李 昊，王超明，薛宸浩，刘 健

（1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳110159；2.沈阳东科拉科技有限公司，辽宁 沈阳110000；3.南通大学，江苏 南通226000）

恒流脉冲电信号源，即输出电流为电流大小恒定的脉冲电流。由于电流类型为脉冲电流，使得在电路中，脉冲的幅度不会随负载大小的变化而变化。作为一种常见的电子仪器脉冲电流源被广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。目前使用的大部分脉冲电流源因为其组成部分由分立元件构成，所以存在空间利用率低、效率低、可信度低、运行流程复杂、易自损等缺陷，因而导致故障率高[1-3]。随着单片机技术不断地向更高点攀登，人们对以单片机为核心控制的数控电流源研究越发深入。由于STM32微处理器具有计算和控制等特点，数控电流源具有数字反馈、灵活易调及可视性好等特点，所以以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代脉冲电流源电路简单、结构紧凑、价格低廉[4-6]。其可以快速准确处理各种采样数据，然后把指令输出到对应的控制电路，以至于由干扰信号引起的输出电流的波动能够被很好地抑制，从而使电路对电流的控制精度进一步提升。

1 恒流脉冲电信号源原理分析

恒流脉冲源以恒定电流产生电路为基础，通过使用STM32微处理器作为控制核心，其输出为恒定值的电脉冲信号。闭环控制模式为该电路的控制模式，同时在恒定电脉冲信号产生电路中对实时采集到的电流进行处理得到控制信号，从而控制输出端产生恒定电脉冲信号。闭环控制模式使输出电流纹波幅度降低以及数量减少。微控制器采用嵌入式STM32微处理器，通过PWM控制调节占空比的方法来调节电流，脉冲发生单元由电流源和功率放大等电路模块组成实现将电压转换为电流，可以产生0~5mA的矩形可调脉冲电流，且该电流大小不随负载的改变而变化。

2 硬件电路图设计

恒流脉冲电信号源共分为以下几个部分：单片机控制部分、运算放大电路部分、电脉冲信号产生部分、激励部分、报警部分以及人机交互部分。恒流脉冲电信号源系统硬件设计如图1所示。

图1 硬件设计方案

2.1 单片机控制模块

本设计主要利用单片机STM32F103引脚，与显示模块、按键模块、电压升压模块、反馈模块以及其他模块的元器件相连接，完成单片机的主控制功能，从而使其他各模块电路相互连接，使预设功能顺利实现。通过软件程序设置单片机各引脚的功能，来改变脉冲信号的频率和占空比；PWM输出接OP07放大器构成的电压跟随器，用作隔离电路，保护单片机。

2.2 电源稳压模块

2.2.1 供电芯片

该恒流脉冲电信号源采用外部5V直流外部电源供电，外部电源输入的电压通过线性电源稳压模块进行稳压，进而得到持续稳定的输入电压。此电源稳压模块采用了ME6211-33芯片作为稳压芯片，同时拥有高纹波抑制率、低功耗、较低内阻、超快响应的特点。

ME6211-33供电芯片具有以下几个方面的特点：高精度输出电压，其精度误差范围在±2%以内；输出电压可以以0.1V的步长从2.0V逐步增加到5.0V；较低的输入输出电压差，可以在输入/输出为0.2V/80mA或0.4V/160mA这两种状态中选择；输入稳定性好，平均误差在0.05%/V以内。ME6211-33供电芯片原理图如图2所示。

图2 ME6211-33供电芯片原理图

2.2.2 24V稳压电路

为了对LM324芯片所构成的反馈放大模块进行供电，需要一个能够提供+24V的电源单元。此单元采用了LM7824芯片作为稳压芯片，滤除高低频噪声和去耦合等问题可以在稳压芯片附近配合电容值330μF、10μF和0.1μF的旁路电容，从而使24V直流电压稳定输出。24V稳压电路原理图如图3所示。

图3 24V稳压电路原理图

2.2.3 5V稳压电路

为了给输出端供电，需要一个电源提供5V的电压。电源单元采用LM7805芯片作为稳压芯片，稳压芯片周围排布的旁路电容是用来滤除稳压芯片高频噪声和去耦合的，实现5V电压的稳定输出。LM7805芯片集成度高，在电子制作中得到广泛使用。其电路原理图如图4所示。

图4 5V稳压电路原理图

2.2.4 36V电源电路

此电路用于提供一个稳定的36V电压。通过外部探针构成两个输出端，并形成电压差从而同人脑形成闭合回路，此时人脑作为负载接入回路。此电源单元还使用了二极管和+47μF的电容，用以通交流阻直流，从而配合STM32单片机的数/模转换器实现脉冲调节。36V稳压电路原理图如图5所示。

图5 36V稳压电路原理图

2.3 脉冲产生模块

此模块采用TC4426双高速驱动芯片作为脉冲驱动，分别与MCU芯片和两个输出端相连，通过接收STM32单片机输出的指令控制电路的断开与闭合，TC4426芯片工作电流最高可达1.5A，最高可以承受0.5A的反向电流，工作电压在4.5V-18V之间，能够经受最高5V的反向输入电压，具有锁定保护功能，常使用于开关式电路、脉冲变压驱动电路等中。TC4426脉冲产生模块原理图如图6所示。

图6 TC4426脉冲产生模块原理图

2.4 运放电路模块

为了能够产生恒定的脉冲电信号，故采用模糊PI电压闭环反馈控制。电流通过MCU以可调频率输出的PWM控制模拟电子开关，实现了恒流源变成了脉冲源，脉冲源经过控制场效应管CMOS 4的开和关实现电流控制，可调幅值可控频率的脉冲电流源。具体设计图如图7所示。

图7 运放电路模块原理图

CMOS管在放大区工作时，它的漏极-源极电流始终保持为一个定值，并且栅-源极电压控制其强度，所以只要设法使CMOS管工作在放大区，就可以达到恒流控制，并且通过改变栅-源极的电压就可以改变控制电流的大小。AO3400型号的CMOS管为N沟道管，结合了先进的沟槽MOSFET技术与低电阻封装技术，可以提供极低的RDS，适合作为负载开关或在PWM应用。因此选择AO3400 N沟道CMOS管作为开关管。

2.5 脉冲产生模块

此模块采用3.5mm耳机孔作为负载输出，与MC14052B多路复用器直接相连，并设置一个采样电阻，起到采样对比反馈的作用。MC14052B工作的电源电压范围为3.0V-18V，能传输20V以下的A/D信号。常用在AD转换电路的前级，做多路模拟信号的输入切换，具体设计图如图8所示。

图8 脉冲产生模块原理图

MC14052B的控制端由两个CMOS管实现，两个CMOS管的开/关进行控制，分别实现不同功能。

2.6 电源稳压模块

采用BC817型号的NPN三极管组成步进升压电路，用于将VCC电压从9V升压成15V，具体示意图如图9所示。

图9 电源模块原理图

3 软件方案设计

3.1 软件控制流程

软件平台采用Keil μ Vision5集成开发环境，使用C语言进行编译，采用ST-LINK进行程序的下载与调试。主要通过对STM32系列MCU进行编程，设定好输出的电流、电压强度，脉冲的频率等参数，通过脉冲产生模块输出一个稳定的脉冲电流，通过外部电极形成回路，进而产出电刺激。通过设置中断进行反馈补偿，进而进行下一步的参数设置和调整。如图10为MCU初始设置框图。

图10 MCU初始设置框图

3.2 模糊PI控制器设计

模糊PI控制器是利用模糊规则，根据偏差e和偏差变化率ec的变化实时调整PI的两个增益参数kp、ki，从而使整个系统的动静态性能进一步得到提升。其控制器结构框图如图11所示。

图11 模糊PI控制器结构框图

图11 所表示的模糊PI控制器e和ec为控制器的两个输入变量，经过模糊控制输出表调整过的2个PI参数Δkp、Δki为两个输出变量。本文模糊子集的隶属函数为三角型隶属度函数[7]，用重心法[8]进行解模糊。其中e、ec、Δkp、Δki的模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素分别对应负大、负小、零、正小、正大。设输出电流设定值与检测值之间的差值为e，差值变化率为ec，输出控制量为U且其基本论域为-2%~2%，由此可得量化论域为[-2，2]。

根据恒流脉冲电信号源特性以及控制要求，建立模糊规则应满足以下要求：

（1）在输脉冲电流误差e<0的情况下，当e值为NB时，若误差变化率ec<0，为了消除并抑制误差e的值增大，所以取输出控制量U为正大。

（2）在输脉冲电流误差e<0且误差变化量ec>0的情况下，此时系统误差处于低水平，所以想快速消除误差同时保证不超调，此时的输出控制量U为较小值。

（3）当系统接近稳态时，输出电流误差e为NS，若误差变化ec<0，则U>0导致抑制误差向负方向发展；反之，若ec>0时，此时系统向消除负小误差的趋势发展，因此输出控制量U为正小。

根据恒流脉冲电信号电源输出电流误差e和误差变化率ec的相关联性，以及二者对恒流脉冲电信号电源系统本身的影响，制作本文的模糊控制规则表，见表1。

表1 模糊控制规则表

式中，m为控制量的量化级数，g（vj）为控制量对应的隶属度函数。k是指与模糊控制规则所对应的控制器输出量U的参数值。

解模糊后得到控制量kp、ki，对PI控制器的比例增益及积分增益进行调整并完成PI控制器的参数整定。

4 恒流脉冲电信号源输出实验

为了验证恒流脉冲电信号源对不同负载输出电流的稳定性，对此信号源进行放电实验，搭建实验平台部分实物如图12所示。实验平台主要由恒流脉冲电信号源、不同阻值的采样电阻和示波器等器件构成。将示波器和万用表分别接在负载及采样电阻两端，并实时记录电流和电压数值，最后进行相互比较，以确保负载和采样电阻两端的电压和电流具有相应变化。负载两端的脉冲电流波形如图13所示。

图13 示波器显示负载两端脉冲电流波形

为了保证所设计的恒流脉冲电流源的恒流作用，对于不同的负载，能通过调节电压的变化使得电流不随负载电阻的改变而变化，因此对于负载电阻的电流大小进行了测量，其测量结果如图14所示，测量数据如表2所示。

图14 不同负载的输出电流值

表2 不同负载情况下的电压值

从以上数据可知，对于不同负载，其输出的恒流脉冲电信号始终保持在一个定值，且一组的恒流脉冲电信号值为5mA，另一组为3mA，可以证明加入模糊PI控制算法的系统，具有良好的稳定性，符合实际应用系统要求。

5 结束语

本文针对恒流脉冲电信号源控制策略进行研究，对恒流脉冲电信号源的工作原理进行分析，发现原系统相当于一个开环，难以满足其恒流源系统的稳定性，因此模糊PI控制法由此提出。通过实验对模糊PI控制方法进行研究分析得出，与原系统相比系统超调量有明显减少，输出性能受到的影响大大降低，从而使系统工作更加平稳。使系统运行更加稳定、可靠，从而提升了恒流脉冲电信号源的工作性能，能更好适应实际需求。