基于電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機(jī)逆變電路控制策略

徐怡 王福林 葉健

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機(jī)逆變電路控制策略

徐怡 王福林 葉健

（第七一五研究所，杭州，310023）

為改善聲吶發(fā)射機(jī)輸出電壓準(zhǔn)確性并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，將電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于聲吶發(fā)射機(jī)控制，基于雙閉環(huán)控制建立了聲吶發(fā)射機(jī)的小信號(hào)模型，并結(jié)合換能器等效模型建立了發(fā)射機(jī)開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制仿真模型，對(duì)比分析了兩種控制策略，結(jié)果表明閉環(huán)控制系統(tǒng)有效抑制了輸出電壓受直流母線電壓與換能器等效負(fù)載的干擾，并改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

聲吶發(fā)射機(jī)；閉環(huán)控制；電壓電流雙環(huán)

聲吶技術(shù)作為主要的海洋探測(cè)技術(shù)，其穩(wěn)定發(fā)展是保證海洋軍事技術(shù)得以突破的前提條件［1］。聲吶發(fā)射機(jī)是電力電子技術(shù)在聲吶系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，為聲吶系統(tǒng)提供了電能支持，是聲吶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換的重要部分［2］。其主要功能是為聲吶換能器提供單頻、調(diào)頻及組合信號(hào)等的正弦波，通常由前級(jí)AC/DC與后級(jí)DC/AC電路組成。換能器作為發(fā)射機(jī)負(fù)載有其特殊性，在電氣特性上體現(xiàn)出非線性，以容性為例，工程上常將容性換能器阻抗等效為電阻與電容并聯(lián)的形式，但等效電阻與電容將隨換能器的工作狀態(tài)改變而改變。

文獻(xiàn)［3］介紹了聲吶發(fā)射機(jī)的研制，包括信號(hào)的產(chǎn)生與控制、功率放大部分的原理及結(jié)構(gòu)等，文中發(fā)射機(jī)采用了開(kāi)環(huán)控制方案，實(shí)現(xiàn)了特定頻率的正弦波形輸出，在負(fù)載特性較為復(fù)雜的情況下體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能。但開(kāi)環(huán)控制的輸出易受負(fù)載條件及輸入條件的影響，同時(shí)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，其階躍響應(yīng)存在較大超調(diào)量，易造成器件損害。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文將閉環(huán)結(jié)構(gòu)［4，5］引入發(fā)射機(jī)控制中，采用電壓與電流雙環(huán)控制策略以穩(wěn)定發(fā)射機(jī)電壓輸出，同時(shí)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。電壓環(huán)作為系統(tǒng)控制外環(huán)，電流環(huán)作為系統(tǒng)控制內(nèi)環(huán)，外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的給定。為驗(yàn)證電壓電流雙環(huán)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的控制，本文在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了發(fā)射機(jī)閉環(huán)控制模型，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表征電壓電流雙閉環(huán)控制能保證輸出電壓的穩(wěn)定并提高發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減少超調(diào)量。

1　聲吶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

發(fā)射機(jī)通常由外部交流電源供電，通過(guò)AC/DC與DC/AC實(shí)現(xiàn)正弦波輸出，輸出頻率范圍約為1 Hz～100 kHz，信號(hào)形式可分為單頻、調(diào)頻、組合信號(hào)、脈沖串和任意波形信號(hào)等。根據(jù)聲吶脈沖式發(fā)射聲波的要求，發(fā)射機(jī)輸出正弦波脈沖，脈沖形式可為矩形、正弦形或其他復(fù)雜包絡(luò)。聲吶發(fā)射機(jī)的負(fù)載是換能器，實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換功能。

聲吶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。AC/DC部分可采用單級(jí)不控整流、前級(jí)不控整流加后級(jí)DC/DC穩(wěn)壓、PWM整流等方案實(shí)現(xiàn)。由于單級(jí)不控整流形式簡(jiǎn)單可靠，故被廣泛用于聲吶發(fā)射系統(tǒng)中?？紤]其不可控性，本文對(duì)AC/DC部分不深入研究，而主要研究DC/AC部分的控制方案，DC/AC部分采用單相全橋拓?fù)?。換能器使用電阻與電容等效，容性負(fù)載會(huì)增大系統(tǒng)無(wú)功電流，故系統(tǒng)在負(fù)載側(cè)配置匹配電感，此匹配電感在額定工況下與換能器等效電容諧振，理想情況下負(fù)載整體對(duì)外特性將以純阻性的形式體現(xiàn)。

圖1　聲吶發(fā)射系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

2　傳統(tǒng)聲吶發(fā)射機(jī)控制

發(fā)射機(jī)逆變部分（DC/AC）及負(fù)載結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)射機(jī)前級(jí)AC/DC電路為單相全橋逆變電路供電，逆變電路輸出經(jīng)過(guò)濾波器為負(fù)載供電。考慮聲吶發(fā)射機(jī)輸出電壓的頻率以kHz級(jí)為主，系統(tǒng)使用串聯(lián)LC濾波器，將LC諧振頻率設(shè)置為發(fā)射機(jī)輸出電壓中心頻率實(shí)現(xiàn)帶通濾波。RL、CL為換能器等效阻抗，LL為匹配電感。為了模擬換能器阻抗特性的改變，本文通過(guò)開(kāi)關(guān)S并聯(lián)RL2、CL2改變負(fù)載。

圖2　基于開(kāi)環(huán)控制的聲吶發(fā)射機(jī)逆變電路及負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

考慮系統(tǒng)負(fù)載較為復(fù)雜，傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的DC/AC電路主要采用開(kāi)環(huán)控制策略，使用SPWM調(diào)制方式，通過(guò)調(diào)制比調(diào)節(jié)輸出電壓：

3　基于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機(jī)控制

基于閉環(huán)控制的聲吶發(fā)射機(jī)逆變電路及負(fù)載結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，電壓環(huán)與電流環(huán)都采用比例積分調(diào)節(jié)器，調(diào)制方式采用SPWM調(diào)制。

圖3　基于閉環(huán)控制的聲吶發(fā)射機(jī)逆變電路及負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1雙環(huán)控制原理

雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)由電壓控制與電流控制組成。電壓控制比較電壓給定值與電壓反饋值，得到電壓誤差信號(hào)，通過(guò)PI補(bǔ)償器得到電流給定，從而實(shí)現(xiàn)了電壓的無(wú)靜差控制。電壓控制的頻域表達(dá)式為：

其中vref為輸出電壓給定，vout為發(fā)射機(jī)輸出電壓，kpv為電壓控制器比例參數(shù)，kiv為電壓控制器積分參數(shù)，iref為電壓控制輸出，iref為電流內(nèi)環(huán)給定值。

電流控制比較電壓控制器輸出值與電感電流反饋值，得到電流誤差信號(hào)，電流控制同樣采用PI補(bǔ)償器調(diào)節(jié)，得到控制信號(hào)。電流控制有效提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，其頻域表達(dá)式為：

其中iL為發(fā)射機(jī)電感電流，kpi為電流控制器比例參數(shù)，kii為電流控制器積分參數(shù)，v為電流控制輸出，電流控制環(huán)節(jié)的輸出經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制，形成全橋橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3.2基于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機(jī)模型

選取電感電流iL與電容電壓vC為狀態(tài)變量，考慮輸出變壓器理想的情況下，可得到小信號(hào)條件下發(fā)射機(jī)逆變電路的模型：

大福本來(lái)是個(gè)瘦弱的小子，但他要裝出強(qiáng)壯的樣子來(lái)。穿著膝蓋帶著兜兜的美式陸戰(zhàn)服，把細(xì)小的眼睛瞪得賊大。他的老家在哪里，他已經(jīng)說(shuō)不清楚了，隨著剛進(jìn)城時(shí)的豪言壯語(yǔ)被歲月淹沒(méi)。他很難用一個(gè)恰當(dāng)?shù)穆殬I(yè)來(lái)確定自己的身份，因?yàn)槭郎蠜](méi)有他沒(méi)干過(guò)的事情：建筑工人，送貨員，收廢品，導(dǎo)購(gòu)，公司接待，銷售，保安，打手，小偷，無(wú)賴，討債……無(wú)不涉獵。胳膊上的紋身涂抹了又紋上，紋上又涂抹掉，幾次折騰下來(lái)，平滑健碩的皮膚便留下了難看的疤痕。這竟成了他炫耀的資本！

其中R為電感寄生電阻，RL為發(fā)射機(jī)負(fù)載等效電阻，v為逆變器橋臂輸出電壓，n為變壓器的變比。

根據(jù)發(fā)射機(jī)逆變電路的模型，得到電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，根據(jù)控制框圖可得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

圖4　發(fā)射機(jī)逆變電路結(jié)構(gòu)框圖

4　仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證閉環(huán)結(jié)構(gòu)在發(fā)射機(jī)控制中能有效實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了開(kāi)環(huán)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。在開(kāi)環(huán)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了閉環(huán)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)并搭建了仿真模型。對(duì)直流母線電壓變化與換能器等效負(fù)載變化兩種情況進(jìn)行了模擬仿真。

表1　發(fā)射機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

4.1直流母線電壓變化

考慮工程實(shí)際，系統(tǒng)直流母線電壓無(wú)法維持完全恒定，為模擬直流母線電壓變化對(duì)發(fā)射機(jī)輸出電壓的影響，仿真中在0.019 s時(shí)將直流母線電壓設(shè)置為530 V，即直流母線電壓在0.019 s時(shí)從570 V變化到530 V。

為模擬聲吶系統(tǒng)脈沖式發(fā)射的需求，仿真中每0.02 s發(fā)射一次輸出脈沖，脈沖寬度為0.01 s。圖5表征了直流母線電壓從570 V變化至530 V時(shí)，發(fā)射機(jī)在開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制情況下的輸出電壓仿真波形。圖5（a）為開(kāi)環(huán)情況下的輸出電壓波形，可見(jiàn)輸出電壓超調(diào)量較大，容易引起器件過(guò)壓損壞；同時(shí)隨直流母線電壓的變化，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值從1 138 V改變到1 098 V。圖5（b）為閉環(huán)情況下的輸出電壓波形，在直流母線電壓改變前后，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值能維持1 075 V恒定，即閉環(huán)控制能有效減小直流母線電壓變化對(duì)輸出電壓的影響。

圖5　直流母線電壓變化時(shí)發(fā)射機(jī)的輸出電壓

4.2換能器等效負(fù)載變化

發(fā)射機(jī)的負(fù)載換能器，隨其工作環(huán)境的不同（如水深、溫度等），換能器等效負(fù)載會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。為模擬換能器等效負(fù)載的變化對(duì)發(fā)射機(jī)輸出電壓的影響，仿真中在0.019 s將負(fù)載設(shè)置為100 ?、1.5 μF，即發(fā)射機(jī)負(fù)載在0.019 s時(shí)從200 ?、1.0 μF變化為100 ?、1.5 μF。

圖6表征了換能器等效負(fù)載變化前后，發(fā)射機(jī)在開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制情況下的輸出電壓仿真波形。圖6（a）為開(kāi)環(huán)情況下的輸出電壓波形，隨負(fù)載的變化，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值從1 138 V改變到1 405 V。圖6（b）為閉環(huán)情況下的輸出電壓波形，在換能器等效負(fù)載改變前后，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值能維持1 075 V恒定，即換能器等效負(fù)載的改變對(duì)基于閉環(huán)控制的發(fā)射機(jī)輸出電壓的影響較小。

圖6　換能器等效負(fù)載變化時(shí)發(fā)射機(jī)的輸出電壓

5　結(jié)論

針對(duì)聲吶發(fā)射機(jī)開(kāi)環(huán)控制中存在的問(wèn)題，給出了聲吶發(fā)射機(jī)電壓電流雙閉環(huán)控制方案并建立了雙閉環(huán)逆變器小信號(hào)模型，對(duì)比驗(yàn)證了控制方案的可行性，得到如下結(jié)論：

（1）電壓電流雙閉環(huán)控制可應(yīng)用于聲吶發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出電能質(zhì)量的優(yōu)化。

（2）較開(kāi)環(huán)控制策略，基于電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機(jī)輸出電壓在輸入直流母線電壓改變時(shí)能保持穩(wěn)定。

（3）在負(fù)載改變時(shí)，電壓電流雙閉環(huán)能有效控制發(fā)射機(jī)輸出電壓跟蹤給定的變化，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。

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