基于微處理器的單神經(jīng)元PID交流恒流源裝置

王學(xué)佳

摘 要：文中設(shè)計(jì)一種基于單神經(jīng)元PID的交流恒流源，以微處理器為核心，采用不對稱規(guī)則法輸出正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波，同時利用單神經(jīng)元PID作為控制算法對SPWM波進(jìn)行調(diào)制，在外界負(fù)載發(fā)生改變的情況下，達(dá)到保持電路電流恒定的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該交流恒流源能夠穩(wěn)定0～20 A的任意電流值，并且在負(fù)載改變后能快速響應(yīng)，較傳統(tǒng)的PID控制方法具有更加良好的可靠性與靈活性，對交流恒流源的實(shí)際應(yīng)用具有積極作用。

關(guān)鍵詞：單神經(jīng)元PID;微處理器;交流恒流源;快速響應(yīng);不對稱規(guī)則法;正弦脈寬調(diào)制

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-03

0 引 言

交流恒流源是在外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動或者用電負(fù)荷阻抗的特性發(fā)生變化時，仍能使輸出的電流保持恒定的交流電源裝置[1]。目前的交流恒流源大多使用傳統(tǒng)的PID控制而達(dá)到恒流的目的[2-4]，傳統(tǒng)PID無法適應(yīng)所有負(fù)載類型與容量情況，即參數(shù)整定的結(jié)果只能適合單種負(fù)載或者固定電流等級情況[5]。因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可以自學(xué)習(xí)而改變PID三個參數(shù)的單神經(jīng)元PID交流恒流源，使其能夠穩(wěn)定一定區(qū)間范圍內(nèi)的任意電流值，并且能夠適應(yīng)負(fù)載的改變而做出自適應(yīng)調(diào)整。

1 單神經(jīng)元PID算法

單神經(jīng)元是構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)能力，并且具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)[6]。雖然多層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及聯(lián)想功能都更為出色，可以逼近任意的非線性函數(shù)，但是其學(xué)習(xí)時間較單神經(jīng)元控制更長。同時，對比傳統(tǒng)的PID控制算法，單神經(jīng)元PID控制可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時整定參數(shù)，對復(fù)雜以及時變系統(tǒng)具有更優(yōu)的控制效果。本文所設(shè)計(jì)的智能恒流源系統(tǒng)實(shí)時性較高，采用單神經(jīng)元PID控制，學(xué)習(xí)時間比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)短，控制精度依然高，而且可以具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及自校正功能。

單神經(jīng)元PID的控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。單神經(jīng)元PID的控制輸出u（k）作為SPWM波的調(diào)制度，通過控制u（k）大小來達(dá)到調(diào)制SPWM波的目的，從而控制交流電流的大小，滿足負(fù)載的工作要求，能夠讓執(zhí)行器在較為理想的狀態(tài)下對執(zhí)行對象進(jìn)行更好地支配。同時，通過對輸出結(jié)果y（k）進(jìn)行采樣變換處理，作為單神經(jīng)元PID控制的反饋輸入，達(dá)到自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的閉環(huán)控制效果，使恒流源的精度與響應(yīng)速度更優(yōu)。

此控制器的控制算法為：

式中w1，w2，w3為PID的三個參數(shù)。權(quán)值的調(diào)整按有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)。

式中：

η為學(xué)習(xí)速率，η范圍在0～1之間;K為神經(jīng)元的比率系數(shù)，K>0。在實(shí)際調(diào)試時，η取0.4，K取1.7。當(dāng)K值取得過大時系統(tǒng)發(fā)散，當(dāng)K值取得過小時系統(tǒng)快速性差[7]。

2 SPWM波的產(chǎn)生

產(chǎn)生SPWM波的算法主要有自然采樣法、等效面積法、對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法等[8]。

將正弦波作為調(diào)制波，等腰三角波作為載波進(jìn)行比較，在兩個波形的自然交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形接近正弦波的程度最高，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，其脈寬表達(dá)式是一個超越方程，計(jì)算量大，難以達(dá)到實(shí)時控制的效果[9]。

等效面積法是SPWM波原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于計(jì)算機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算復(fù)雜、數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大以及不能實(shí)時控制的缺點(diǎn)[10]。

對稱規(guī)則采樣法由經(jīng)過采樣的正弦波（實(shí)際上是階梯波）與三角波相交，根據(jù)二者的相交點(diǎn)來得到脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成階梯波。其達(dá)到的效果與自然采樣法相近，但計(jì)算量相比自然采樣法大大減少，因此其應(yīng)用場景較廣泛[11]。但是對稱規(guī)則采樣法的采樣頻率較高時，其諧波分量會較大。

不對稱規(guī)則采樣法是以三角波的頂點(diǎn)和底點(diǎn)位置與正弦波的交點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，根據(jù)采樣點(diǎn)值的大小來形成階梯波，而該階梯波的脈沖寬度在一個三角波的周期范圍內(nèi)，其位置不對稱，因此把此種方式叫作不對稱規(guī)則采樣[12]。不對稱采樣相比對稱采樣，其形成的階梯波更接近于正弦波時的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用不對稱規(guī)則采樣法在保證載波比等于3或者3的倍數(shù)時，逆變器的輸出電壓不存在偶次諧波分量，并且其他的高次諧波分量的幅值也較小，性能較對稱規(guī)則采樣有一定的提升。

綜上分析，本恒流源系統(tǒng)SPWM波算法采用的是不對稱規(guī)則采樣法，以下是對本算法的分析。

不對稱規(guī)則采樣法在每個載波周期采樣兩次，既在三角波的頂點(diǎn)位置采樣，又在三角波的底點(diǎn)位置采樣，這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高。不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波的原理圖如圖2所示。微處理器產(chǎn)生一定頻率的三角波作為載波，設(shè)置其分別在三角波的頂端和底端產(chǎn)生定時器計(jì)數(shù)溢出中斷，在中斷處理函數(shù)中采樣需調(diào)制的正弦波的當(dāng)前值（該值事先通過計(jì)算后制表放入FLASH中），作為產(chǎn)生SPWM波的寄存器中比較寄存器的值。定時器計(jì)數(shù)值大于比較寄存器的值時，輸出低電平，定時器計(jì)數(shù)值小于比較寄存器的值時，輸出高電平，從而產(chǎn)生SPWM波。

圖2中，在tA和tB時刻比較寄存器的值分別為：

式中：EvaRegs.CMR1為比較寄存器的值;EvaRegs.T1PR為定時器周期計(jì)數(shù)器的值（即為三角波的幅值）;a為調(diào)制度。

3 交流恒流源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交流恒流源的設(shè)計(jì)主要分為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以微處理器為核心，連接外圍電路及模塊，為算法的實(shí)現(xiàn)搭建平臺和基礎(chǔ)，對實(shí)現(xiàn)整個交流電的恒流過程呈現(xiàn)清晰化的結(jié)構(gòu)指導(dǎo)。軟件流程設(shè)計(jì)主要包括單神經(jīng)元PID控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)以及SPWM波的產(chǎn)生過程，前文對相關(guān)的理論知識做了相應(yīng)介紹，后續(xù)則應(yīng)對該算法具體的軟件實(shí)現(xiàn)做流程設(shè)計(jì)。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。AC-DC電路模塊將220 V

交流市電整流濾波轉(zhuǎn)換為平滑的直流電輸出，H橋逆變模塊則是將整流電路輸出的直流電逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟?，并?jīng)LC濾波電路濾除高次諧波含量后供給負(fù)載?？刂齐娐纺K中的微處理器TMS320F2812屬于核心數(shù)據(jù)處理模塊，主要運(yùn)行整個交流恒流源系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)設(shè)定目標(biāo)所需要的程序代碼。交流互感器和采樣調(diào)整電路組成的輸出電流采樣電路完成對輸出交流的采樣，并將采樣結(jié)果輸入微處理器。用戶通過鍵盤可控制輸出電流的大小，顯示屏可顯示實(shí)時輸出電流。微處理器輸出的SPWM控制信號需要通過光電隔離驅(qū)動電路處理后才能正常驅(qū)動H橋模塊中的開關(guān)器件工作，這樣做能夠避免強(qiáng)電信號竄到弱電部分或弱電信號竄到強(qiáng)電部分，對系統(tǒng)造成干擾，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性[13]。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

本恒流源系統(tǒng)的工作原理為使用單神經(jīng)元PID算法控制SPWM波驅(qū)動逆變電路從而達(dá)到交流恒流的目的，因此本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括單神經(jīng)元PID算法和SPWM波的產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元PID算法，首先，進(jìn)行初始化，包括權(quán)重、誤差、被控對象模型等;然后，通過采樣電路獲取誤差量y（k），計(jì)算并得到單神經(jīng)元PID控制算法的新輸入，更新權(quán)重w1，w2，w3的值;接著將權(quán)重作求和處理，得出PID的具體值;最后，將該控制算法的輸出結(jié)果與SPWM波相結(jié)合，完成單神經(jīng)元的PID控制，其程序流程如圖4所示。

SPWM波的產(chǎn)生采用的是不規(guī)則采樣法，初始化工作完成后，計(jì)算調(diào)制波和載波之間交點(diǎn)的時間坐標(biāo)，在中斷服務(wù)程序中對計(jì)算結(jié)果作相應(yīng)的處理分析，將單神經(jīng)元PID控制輸出作調(diào)制運(yùn)算。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制各個逆變橋中逆變器件的開通與關(guān)斷，即在GPIO口輸出不同的電壓值，從而得到相應(yīng)的SPWM波，其程序流程如圖5所示。

圖5 生成SPWM程序流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1～表3所示。單從1個表可以看出，輸出電流值可以很好地穩(wěn)定給定的電流值。結(jié)合3個表可以看出，輸出的電流值幾乎不隨負(fù)載的變化而變化，負(fù)載較小時，輸出電流值略小于給定值;負(fù)載較大時，輸出電流值略大于給定值。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的交流恒流源采用單神經(jīng)元PID作為控制算法，對采用不對稱規(guī)則法生成的SPWM波進(jìn)行調(diào)制，然后通過驅(qū)動電路和逆變電路，達(dá)到電路恒流的目的。單神經(jīng)元PID克服了傳統(tǒng)PID參數(shù)固定的缺點(diǎn)，更能適應(yīng)輸入和負(fù)載的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的恒流源系統(tǒng)能夠很好地跟蹤輸入和適應(yīng)負(fù)載的變化。

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