傳感器尖峰信號整流器的優化設計與實現

摘 要： 傳感器尖峰信號會產生高次諧波，干擾傳感器設備的正常運行，造成大量的能耗。當前方法主要通過提升信號整流器前端電感值，降低諧波對傳感器的干擾，破壞系統的穩定性。提出基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器設計方法，將尖峰信號整流器的直流母線電壓的輸出當成系統擾動，設計自抗擾控制器的定位和動態彌補功能，改進傳統設計，增強傳感器的抗擾動性能，給出軟、硬件設計方法。測試結果表明，優化設計的整流器動態性能良好，網側電流諧波明顯減少，制約了尖峰信號濾波器形成的諧振干擾，達到預期效果。

關鍵詞： 傳感器； 尖峰信號整流器； 自抗擾控制； 設計方法

中圖分類號： TN911?34； TM46 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）16?0075?04

Abstract： Sensor spike signal can produce high?order harmonic， interfere with the normal operation of sensor device， and cause plenty of energy consumption. With the current methods， the signal rectifier front?end inductance value is increased and the harmonic interference with sensor is reduced， but the stability of the system is destroyed. A design method of sensor spike signal rectifier based on active?disturbance?rejection control is proposed. DC bus voltage output of the spike signal rectifier is regarded as the system disturbance to design the positioning and dynamic remedy function of the active?disturbance?rejection controller， improve the traditional design， and enhancing disturbance resistance performance of sensor. The hardware and software design methods are given in this paper. The test results show that the dynamic performance of the optimally?designed rectifier is good， the current harmonic on net side is reduced significantly， and the harmonic interference caused by spike signal filter is restricted. The desired effect was achieved with the method.

Keywords： sensor； spike signal rectifier； active?disturbance?rejection control； design method

0 引 言

由于傳感器尖峰信號產生一定的高次諧波，對傳感器配置造成擾亂影響，降低了傳感器性能，可能帶來巨大風險[1?3]。因此，需要通過整流器對變換的傳感器尖峰信號進行調控，確保傳感器網側兩端傳輸電流正常變化率平穩。傳統的方法主要提升信號整流器前端電感值，降低諧波，導致傳感器動態性能減低，浪費成本[4?6]。

當前研究出的信號整流器設計方法取得了一定的進展，也存在很多問題。其中，文獻[7]為了實現單位功率因數整流，對整流器兩側輸入電壓基波的幅值與相位進行了改進，同時也對輸入電感電流進行了處理。它是間接地對電流進行操作，控制結構單一，靜態特點較佳，但是會使動態反應滯后，引起直流電流偏移，在真實使用環境下使用效果不理想。文獻[8]在自動控制原理閉環控制器的基礎上，對交流電流進行操作，達到及時定位，設置電流信號的目的，讓交流端輸入的相電壓與相電流具有一致相位，完成單位功率因數整流的調控任務。這種整流器可使電流調控快速反應、高效率限流，但是存在控制誤差大的問題。文獻[9]提出PWM整流器直接功率控制方法，把傳感器信號看成是一種感應電動勢，確保傳感電流預測到形似異步電機的虛擬磁鏈，然后利用異步電機的直接轉矩控制理論，完成PWM整流器的管理。該方法不用對坐標變換和解耦，當傳感信號存在較高波動時，存在較低的電流諧波，但容易受參數的干擾，在現實工業中很難推廣。文獻[10]提出一種兩相旋轉坐標系下的PWM整流器前饋控制，該方法易使傳感器受到負序基波分量的干擾。

為了解決上述分析問題，本文提出基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器優化設計方法，將整流器的直流母線電壓的輸出當成傳感器系統擾動，通過自抗擾控制器的及時定位和動態彌補性能增強傳感器的抗擾動性能。

1 基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器設

計與實現

1.1 自抗擾控制整流器總體設計

基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器硬件部分包括主電路、控制電路、檢測電路、驅動電路等，其結構如圖1所示。

在整個整流器中控制電路為核心硬件部分，主要包括DSP芯片和它四周電路兩大部分，進入DSP的路徑需要通過控制電路來控制傳感器尖峰信號才能夠完成。選用電機控制特定芯片TMS320F2812 DSP作為控制尖峰信號電路的調控關鍵部件，其主要由可以控制尖峰信號、規劃信號人機控制電路、規劃傳感器直流電壓獲取電路和獲取傳感器電壓電流與脈沖信號電路組成。檢測電路由輸出電壓與電流測驗電路以及直流母線電壓測驗組成。

將測試出的傳感器電壓和電流數據導入DSP中，起到管理輸出和保障電阻承擔能力的作用。

1.2 控制器的主要硬件設計

1.2.1 主控電路設計

DSP控制電路、I/O電路、A/D采樣電路、電源電路和光纖接口電路共同組成了傳感器尖峰信號整流器調控主控電路。其中，DSP的核心操作器由DSP，A/D芯片、外圍電路、尖峰信號整流器的脈沖電平的轉換的電路、通信接口電路以及LED等組成。當頻率顯示為150 MHz時，把TMS320F2812芯片作為DSP的核心器件，進而完成傳感器尖峰信號的收集、外部停止的收集和反應、管理算法的運行以及對全部體系進行管理的功能。DSP 的硬件結構圖如圖2所示。運行使用的電源為3.3 V和5 V，利用A/D選擇的標本電路測驗傳感器中電流與電壓和 IPM 測驗結果，可使 I/O 電路模擬量與數字量之間雙向互換。

1.2.2 驅動電路設計

驅動電路選用的電路板為PSHI2012，TTL電平是TMS320F2812 DSP控制電路傳遞出的傳感器尖峰信號，MC14504B 集成芯片完成TTL電平與CMOS 電平的變換，將CNOS電平傳遞到驅動板中進行進一步的操作。在傳感器運行狀態下TTL 電平的電壓是5 V，CMOS 電平的電壓是10 V。要想確保實現TTL 電平和CMOS電平的精準互換，需在MC14504B 的各個進入口接 10 kΩ 的下拉電阻，并保證同DSP 控制器以及驅動電路具有相同的直流電源和地。IGBT 柵極驅動電阻 RG為10 Ω，把一對16 V反串聯的穩壓管連接在驅動板信號輸出點，起到保護IGBT的作用。驅動電路原理圖如圖3所示。

1.2.3 自抗擾控制器電路設計

將尖峰信號整流器的直流母線電壓的輸出當成傳感器系統的擾動，采用自抗擾控制器的及時定位和動態彌補性能，增強傳感器系統的抗擾動性能。自抗擾控制理論的高性能控制器由非線性跟蹤微分器TD、擴張狀態觀測器ESO以及非線性狀態偏差反應構成。自抗擾控制器各模塊的工作原理具有一定的差異，其先應用定位微分器對傳感器系統輸入尖峰信號進行定位再釋放有利的微分消息；再通過擴張狀態觀察器對傳感器系統的里外部尖峰信號產生的擾動干擾情況進行評估，利用非線性回應步驟獲取各尖峰信號產生的差異特征；最后取得傳感器系統的自抗擾控制律，對傳感器系統的內外部尖峰信號產生的差異特征實施彌補。該種方法可增強傳感器系統內外的數據和模板的抗尖峰信號產生的高次諧波干擾性能，具有很強的控制作用。電壓外圍用于管理傳感器尖峰信號整流器的直流側電壓，電流內部可根據電壓外圍傳遞的電流命令管理電流。自抗擾控制器的結構如圖4所示。

2 軟件整流算法的設計

按照雙閉環管理計算的模仿程序，控制器可使用 SVPWM 調控方法，撰寫DSP的控制程序達到控制傳感器尖峰信號整流器輸入端的高次諧波的目標。全部操作模塊軟件包括主程序以及自抗擾控制算法程序組成。主程序對執行操作系統變量開端化與中斷操作寄存器計劃進行具體部署，并處理操作末尾的數據變化和系統的工作情況。主程序流程圖如圖5所示。

自抗擾控制算法程序用于實現傳感器尖峰信號的檢測以及動態分析，具體的流程圖如圖6所示。

3 實驗分析

采用實驗研究驗證提出的基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器性能的優劣。實驗設置傳感器尖峰信號整流器的基本參數是：電網電壓 220 V/40 Hz，交流側電感3.7 mH，直流側電容3 600 μF，輸出電壓500 V，輸出功率80 kW，直流電壓為500 V，開關頻率是4 kHz。

利用Matlab/Simulink 搭建的基于自抗擾控制算法的傳感器尖峰信號整流器直接功率控制策略的仿真平臺如圖7所示，僅對交流側電流進行采樣，采用自抗擾控制方式，其仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8描述的是傳感器尖峰信號整流器輸出直流電壓波形。分析圖8可得0.02 s后電壓保持平穩，具有較高的動態性能，超調量低于4%，實現預期要求。傳感器尖峰信號整流器輸出直流電流波形，如圖9所示。從中可得電流很好的跟隨電壓進行變化，并且在0.015 s后保持平穩，具有較高的動態性能，實現預期調控要求。

在0.07 s時向傳感器傳遞一個擾動信號，確保系統自主恢復到直流電壓的預設值，對比分析基于動態閉環控制的尖峰信號整流器和本文設計的基于自抗擾控制的尖峰信號整流器仿真波形，如圖10和圖11所示。分析兩圖可得，相對于動態閉環控制方法，本文提出的基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器具有較高的抗噪性能，在受到干擾的情況下，傳感器信號可立刻恢復到預期值。

綜合分析上述實驗結果可得，從開始整流到整流空載運行時，本文提出的自抗擾控制方法下的傳感器系統開啟電流較低，并且直流側電壓即刻進入穩態，同時本文方法對系統負載干擾傳感器尖峰信號整流器直流側電壓的超調低于2%，抵御負載擾動的性能較強。

4 結 論

本文提出基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號整流器優化設計方法，將尖峰信號整流器的直流母線電壓的輸出當成系統擾動，通過自抗擾控制器的及時定位和動態彌補性能，增強傳感器系統的抗擾動性能。整流器硬件部分給出了主電路、信號采集電路以及控制電路的設計，將TMS320F2812作為整流器的核心控制芯片，利用其高速運算能力，提高系統的性能。軟件設計部分給出軟件主程序和自抗擾算法的設計流程圖。仿真結果表明，傳感器系統動態性能良好，網側電流諧波明顯減少，制約尖峰信號濾波器形成的諧振干擾，達到預期控制效果。

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