振動(dòng)臺(tái)電源高精度數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高磊　劉祥言　陶彥飛

摘 要：為提升振動(dòng)臺(tái)供電電源的輸出波形穩(wěn)定性與控制精度，提出了一種基于PID算法和SPWM調(diào)制的改進(jìn)型控制方案。振動(dòng)臺(tái)電源控制系統(tǒng)的總體框架包括控制器、整流、逆變、濾波及通信等模塊?？刂齐娐凡捎肞ID控制器，并利用倍頻SPWM調(diào)制將控制器的輸出量轉(zhuǎn)換為逆變電路的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源輸出的高精度控制。仿真結(jié)果表明，電源的電壓電流輸出波形穩(wěn)定，驗(yàn)證了所提方案的有效性。

關(guān)鍵詞：電源控制;振動(dòng)臺(tái);整流;逆變

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0036-03

Design of High Precision Digital Control System for Vibration

Table Power Supply

GAO Lei LIU Xiangyan TAO Yanfei

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou Henan 450047）

Abstract： In order to improve the output waveform stability and control accuracy of power supply for shaking table， an improved control scheme based on PID algorithm and SPWM modulation is proposed. The overall framework of the shaking table power control system includes controller， rectifier， inverter， filter and communication modules. The control circuit adopts PID controller， and uses frequency doubling SPWM modulation to convert the output of the controller into the control signal of the inverter circuit to realize high-precision control of the power output. The simulation results show that the voltage and current output waveform of the power supply is stable， which verifies the effectiveness of the scheme in this paper.

Keywords： power control;vibration table;rectification;inverter

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)是一種重要的產(chǎn)品檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，在航空、航天、汽車、電子及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。其中，振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)備，對(duì)其運(yùn)行可靠性具有較高要求。按照驅(qū)動(dòng)原理，振動(dòng)臺(tái)可分為機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)、電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)及電磁式振動(dòng)臺(tái)等。振動(dòng)臺(tái)功率一般較高，對(duì)供電電源提出了較高的輸出能力和穩(wěn)定性要求[3-5]。特別是電磁式振動(dòng)臺(tái)，對(duì)供電電源性能要求較高，需要對(duì)電源輸出進(jìn)行高精度穩(wěn)定控制。為此，針對(duì)振動(dòng)臺(tái)電源的穩(wěn)定控制問題，提出了一種基于PID算法和SPWM調(diào)制的改進(jìn)型控制方案，以提升電源輸出的控制精度和穩(wěn)定性。

1 振動(dòng)臺(tái)電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)電源控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要由整流電路、逆變、濾波控制器和通信等模塊構(gòu)成[6]。整流電路的作用是將電網(wǎng)中的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，從而為逆變電路提供直流電源。逆變電路由IGBT功率器件構(gòu)成?？刂破鲗?duì)逆變電路的功率器件進(jìn)行開關(guān)控制，從而將直流電源逆變?yōu)榻涣麟?，再?jīng)過濾波電路對(duì)電源波形進(jìn)行濾波整形，進(jìn)一步提升電源波形質(zhì)量。

振動(dòng)臺(tái)電源的電路結(jié)構(gòu)采用交-直-交（AC-DC-AC）變換結(jié)構(gòu)。該電源結(jié)構(gòu)以380 V電網(wǎng)交流電作為電源輸入源，通過直流整流，再經(jīng)過逆變電路和濾波，最終將電源轉(zhuǎn)換為波形穩(wěn)定的交流電，且可控制輸出的電壓值。振動(dòng)臺(tái)電源主電路采用三相不可控整流橋，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并引入共模電感抑制電磁干擾，同時(shí)引入電容對(duì)差模噪聲進(jìn)行抑制。逆變電路部分采用了多重結(jié)構(gòu)的全橋逆變器，將兩個(gè)三相全橋逆變器進(jìn)行并聯(lián)，將兩個(gè)逆變器的輸出以一定的相位差進(jìn)行疊加，從而擴(kuò)充電源容量，并能夠?qū)χC波分量起到抵消作用[7]。

2 電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電源對(duì)輸出波形的高精度控制，需要對(duì)逆變橋進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。振動(dòng)臺(tái)電源控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由PID控制器、PWM波調(diào)制、信號(hào)采集、系統(tǒng)保護(hù)及輸出反饋等部分構(gòu)成。系統(tǒng)保護(hù)主要是對(duì)電源過壓、欠壓、過流及過溫等故障信號(hào)進(jìn)行診斷及保護(hù)控制，防止電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障[8]?？刂葡到y(tǒng)的主要工作原理是將調(diào)制命令信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)的差值輸入PID控制器，通過PID控制器運(yùn)算輸出控制值，將控制值經(jīng)過PWM調(diào)制處理轉(zhuǎn)換為功率電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的控制。

PID控制器屬于經(jīng)典線性控制器，具有良好的魯棒性和穩(wěn)定性，在電源控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，主要由比例、積分、微分3個(gè)部分構(gòu)成。典型的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[9-10]。其中：e（t）表示輸入與輸出之間的誤差值;c（t）表示控制器的輸出量，即被控對(duì)象的控制量;K表示比例環(huán)節(jié)的參數(shù);T表示積分時(shí)間周期;T表示微分時(shí)間周期。

比例環(huán)節(jié)表示對(duì)當(dāng)前誤差的控制，能夠?qū)刂普`差產(chǎn)生快速響應(yīng)，即能夠根據(jù)輸出誤差立即產(chǎn)生反向控制量，促使誤差向縮小的狀態(tài)方向運(yùn)行。

參數(shù)K能夠直接影響控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。隨著比例系數(shù)的增加，系統(tǒng)響應(yīng)速度增加，響應(yīng)帶寬增大。但是，隨著比例系數(shù)的增加，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度會(huì)減小，過渡響應(yīng)過程會(huì)出現(xiàn)超調(diào)甚至發(fā)生振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，此時(shí)需要根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)將比例系數(shù)調(diào)整至合適大小。

積分環(huán)節(jié)表示對(duì)過去誤差的積累控制。在控制系統(tǒng)中，只要有誤差存在，積分環(huán)節(jié)就會(huì)發(fā)揮控制作用，且隨著積分的累積，控制效果會(huì)逐漸增強(qiáng)。積分環(huán)節(jié)通過對(duì)誤差的累積控制可有效消除輸出的靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，但同樣不利于系統(tǒng)響應(yīng)速度的提升，且易造成系統(tǒng)過渡響應(yīng)過程出現(xiàn)超調(diào)。

積分時(shí)間周期T取值越大，積分控制效果越弱，但有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性;反之，取值越小，控制效果增強(qiáng)，但不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，積分時(shí)間周期T的具體取值需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際控制效果進(jìn)行調(diào)整。

微分環(huán)節(jié)的作用體現(xiàn)在對(duì)誤差變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。通過對(duì)控制誤差的微分計(jì)算，獲取輸出誤差的變化趨勢(shì)，并對(duì)其進(jìn)行超前控制。微分控制環(huán)節(jié)可以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，即在偏差出現(xiàn)前，根據(jù)其誤差的微分進(jìn)行超前校正。微分環(huán)節(jié)的引入，在提高響應(yīng)速度的同時(shí)，可有效抑制響應(yīng)超調(diào)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，緩解了響應(yīng)速度和穩(wěn)定性之間的矛盾。但是，微分環(huán)節(jié)易引入高頻噪聲，對(duì)噪聲干擾信號(hào)較為敏感，可考慮在微分信號(hào)的輸入端增加濾波器，以抑制噪聲干擾。

PID控制器3個(gè)環(huán)節(jié)的總輸出可表示為：

PID控制器的輸出量需要經(jīng)過SPWM調(diào)制轉(zhuǎn)換為控制三相全橋逆變器的方波控制信號(hào)。SPWM調(diào)制原理簡(jiǎn)單，且能夠很好地抑制諧波分量，具有良好的調(diào)節(jié)控制效果。SPWM調(diào)制方法可以分為雙極調(diào)制、單極調(diào)制和倍頻調(diào)制3種方法。其中，倍頻SPWM調(diào)制方法對(duì)直流電壓具有較高的利用率。筆者選擇倍頻調(diào)制方法作為驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的調(diào)制方法，將電壓脈沖頻率增加一倍，可改善電源輸出波形的諧波特性。這種調(diào)制方法是在單極性調(diào)制方法上進(jìn)行改進(jìn)，類似在單極性調(diào)制方法的基礎(chǔ)上選取了兩倍頻載波，實(shí)現(xiàn)了逆變器控制性能的大幅度提升。通過倍頻SPWM調(diào)制，將PID控制器的輸出量轉(zhuǎn)換為具體的逆變器控制信號(hào)，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出波形的高精度控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證電源控制系統(tǒng)的控制效果，對(duì)控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)電源的逆變器開關(guān)控制頻率設(shè)定為50 kHz，系統(tǒng)響應(yīng)的剪切頻率為10 kHz。控制系統(tǒng)的低頻段具有較高的增益，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流幅值的快速控制，使輸出電流迅速跟蹤輸入命令。中頻段具有充足的相頻裕度，保證系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，穩(wěn)定性適中。振動(dòng)臺(tái)電源控制輸出的電壓電流波形如圖4所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)波形分別為電源控制輸出的電流波形和電壓波形，電流單位為A，電壓?jiǎn)挝粸閂。由圖4可知，電源的電壓電流正弦輸出波形穩(wěn)定且噪聲較小，輸出波形質(zhì)量能夠滿足振動(dòng)臺(tái)對(duì)電源的性能要求，驗(yàn)證了控制方案的可行性。

4 結(jié)語

振動(dòng)臺(tái)電源的輸出控制性能對(duì)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行性能具有重要影響。提出的數(shù)字電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠有效提升振動(dòng)臺(tái)電源響應(yīng)帶寬，并能夠根據(jù)需要對(duì)電源功能進(jìn)行擴(kuò)展，有利于提升電源設(shè)備的可靠性和可擴(kuò)展性。振動(dòng)臺(tái)電源控制系統(tǒng)方案采用逆變電路并聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成多重逆變電路，并利用數(shù)字化SPWM調(diào)制方法對(duì)逆變電路控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，采用經(jīng)典PID控制算法作為電壓電流控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源輸出波形的高精度控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，電源輸出波形穩(wěn)定，驗(yàn)證了該改進(jìn)方案的有效性，有利于振動(dòng)臺(tái)電源的性能提升。

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