振動臺電源高精度數字控制系統設計

高磊　劉祥言　陶彥飛

摘 要：為提升振動臺供電電源的輸出波形穩定性與控制精度，提出了一種基于PID算法和SPWM調制的改進型控制方案。振動臺電源控制系統的總體框架包括控制器、整流、逆變、濾波及通信等模塊。控制電路采用PID控制器，并利用倍頻SPWM調制將控制器的輸出量轉換為逆變電路的控制信號，實現了對電源輸出的高精度控制。仿真結果表明，電源的電壓電流輸出波形穩定，驗證了所提方案的有效性。

關鍵詞：電源控制;振動臺;整流;逆變

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：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

振動實驗是一種重要的產品檢驗實驗，在航空、航天、汽車、電子及通信等領域得到了廣泛應用[1-2]。其中，振動臺作為振動實驗的重要設備，對其運行可靠性具有較高要求。按照驅動原理，振動臺可分為機械式振動臺、電液式振動臺、電動式振動臺及電磁式振動臺等。振動臺功率一般較高，對供電電源提出了較高的輸出能力和穩定性要求[3-5]。特別是電磁式振動臺，對供電電源性能要求較高，需要對電源輸出進行高精度穩定控制。為此，針對振動臺電源的穩定控制問題，提出了一種基于PID算法和SPWM調制的改進型控制方案，以提升電源輸出的控制精度和穩定性。

1 振動臺電源系統總體設計

振動臺電源控制系統總體框架如圖1所示，主要由整流電路、逆變、濾波控制器和通信等模塊構成[6]。整流電路的作用是將電網中的三相交流電轉換為直流電，從而為逆變電路提供直流電源。逆變電路由IGBT功率器件構成。控制器對逆變電路的功率器件進行開關控制，從而將直流電源逆變為交流電，再經過濾波電路對電源波形進行濾波整形，進一步提升電源波形質量。

振動臺電源的電路結構采用交-直-交（AC-DC-AC）變換結構。該電源結構以380 V電網交流電作為電源輸入源，通過直流整流，再經過逆變電路和濾波，最終將電源轉換為波形穩定的交流電，且可控制輸出的電壓值。振動臺電源主電路采用三相不可控整流橋，將交流電轉換為直流電，并引入共模電感抑制電磁干擾，同時引入電容對差模噪聲進行抑制。逆變電路部分采用了多重結構的全橋逆變器，將兩個三相全橋逆變器進行并聯，將兩個逆變器的輸出以一定的相位差進行疊加，從而擴充電源容量，并能夠對諧波分量起到抵消作用[7]。

2 電源控制系統設計

為了實現電源對輸出波形的高精度控制，需要對逆變橋進行控制系統設計。振動臺電源控制系統如圖2所示，主要由PID控制器、PWM波調制、信號采集、系統保護及輸出反饋等部分構成。系統保護主要是對電源過壓、欠壓、過流及過溫等故障信號進行診斷及保護控制，防止電源系統出現故障[8]。控制系統的主要工作原理是將調制命令信號與實際輸出信號的差值輸入PID控制器，通過PID控制器運算輸出控制值，將控制值經過PWM調制處理轉換為功率電路的驅動控制信號，從而實現對輸出波形的控制。

PID控制器屬于經典線性控制器，具有良好的魯棒性和穩定性，在電源控制系統中得到了廣泛應用，主要由比例、積分、微分3個部分構成。典型的PID控制系統結構如圖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，即被控對象的控制量;K表示比例環節的參數;T表示積分時間周期;T表示微分時間周期。

比例環節表示對當前誤差的控制，能夠對控制誤差產生快速響應，即能夠根據輸出誤差立即產生反向控制量，促使誤差向縮小的狀態方向運行。

參數K能夠直接影響控制系統的響應速度。隨著比例系數的增加，系統響應速度增加，響應帶寬增大。但是，隨著比例系數的增加，系統穩定裕度會減小，過渡響應過程會出現超調甚至發生振蕩，導致系統變得不穩定，此時需要根據系統響應將比例系數調整至合適大小。

積分環節表示對過去誤差的積累控制。在控制系統中，只要有誤差存在，積分環節就會發揮控制作用，且隨著積分的累積，控制效果會逐漸增強。積分環節通過對誤差的累積控制可有效消除輸出的靜態誤差，提高系統的控制精度，但同樣不利于系統響應速度的提升，且易造成系統過渡響應過程出現超調。

積分時間周期T取值越大，積分控制效果越弱，但有利于系統穩定性;反之，取值越小，控制效果增強，但不利于系統穩定。因此，積分時間周期T的具體取值需要根據系統實際控制效果進行調整。

微分環節的作用體現在對誤差變化趨勢的預測。通過對控制誤差的微分計算，獲取輸出誤差的變化趨勢，并對其進行超前控制。微分控制環節可以提高控制系統的響應速度，即在偏差出現前，根據其誤差的微分進行超前校正。微分環節的引入，在提高響應速度的同時，可有效抑制響應超調，提高了系統的穩定性，緩解了響應速度和穩定性之間的矛盾。但是，微分環節易引入高頻噪聲，對噪聲干擾信號較為敏感，可考慮在微分信號的輸入端增加濾波器，以抑制噪聲干擾。

PID控制器3個環節的總輸出可表示為：

PID控制器的輸出量需要經過SPWM調制轉換為控制三相全橋逆變器的方波控制信號。SPWM調制原理簡單，且能夠很好地抑制諧波分量，具有良好的調節控制效果。SPWM調制方法可以分為雙極調制、單極調制和倍頻調制3種方法。其中，倍頻SPWM調制方法對直流電壓具有較高的利用率。筆者選擇倍頻調制方法作為驅動控制信號的調制方法，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。這種調制方法是在單極性調制方法上進行改進，類似在單極性調制方法的基礎上選取了兩倍頻載波，實現了逆變器控制性能的大幅度提升。通過倍頻SPWM調制，將PID控制器的輸出量轉換為具體的逆變器控制信號，最終可實現對電源輸出波形的高精度控制。

3 試驗結果

為了驗證電源控制系統的控制效果，對控制方案進行仿真實驗。振動臺電源的逆變器開關控制頻率設定為50 kHz，系統響應的剪切頻率為10 kHz。控制系統的低頻段具有較高的增益，可以實現對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，保證系統具有足夠的穩定性。整個系統的響應速度較快，穩定性適中。振動臺電源控制輸出的電壓電流波形如圖4所示，其中橫坐標為時間，縱坐標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，電壓單位為V。由圖4可知，電源的電壓電流正弦輸出波形穩定且噪聲較小，輸出波形質量能夠滿足振動臺對電源的性能要求，驗證了控制方案的可行性。

4 結語

振動臺電源的輸出控制性能對振動臺運行性能具有重要影響。提出的數字電源控制系統設計方案能夠有效提升振動臺電源響應帶寬，并能夠根據需要對電源功能進行擴展，有利于提升電源設備的可靠性和可擴展性。振動臺電源控制系統方案采用逆變電路并聯結構構成多重逆變電路，并利用數字化SPWM調制方法對逆變電路控制信號進行調制，采用經典PID控制算法作為電壓電流控制器，實現了對電源輸出波形的高精度控制。試驗結果表明，電源輸出波形穩定，驗證了該改進方案的有效性，有利于振動臺電源的性能提升。

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