摘 要： 傳感器尖峰信號(hào)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，干擾傳感器設(shè)備的正常運(yùn)行，造成大量的能耗。當(dāng)前方法主要通過(guò)提升信號(hào)整流器前端電感值，降低諧波對(duì)傳感器的干擾，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提出基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)整流器設(shè)計(jì)方法，將尖峰信號(hào)整流器的直流母線電壓的輸出當(dāng)成系統(tǒng)擾動(dòng)，設(shè)計(jì)自抗擾控制器的定位和動(dòng)態(tài)彌補(bǔ)功能，改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)傳感器的抗擾動(dòng)性能，給出軟、硬件設(shè)計(jì)方法。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的整流器動(dòng)態(tài)性能良好，網(wǎng)側(cè)電流諧波明顯減少，制約了尖峰信號(hào)濾波器形成的諧振干擾，達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞： 傳感器； 尖峰信號(hào)整流器； 自抗擾控制； 設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)： TN911?34； TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(hào)產(chǎn)生一定的高次諧波，對(duì)傳感器配置造成擾亂影響，降低了傳感器性能，可能帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)[1?3]。因此，需要通過(guò)整流器對(duì)變換的傳感器尖峰信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，確保傳感器網(wǎng)側(cè)兩端傳輸電流正常變化率平穩(wěn)。傳統(tǒng)的方法主要提升信號(hào)整流器前端電感值，降低諧波，導(dǎo)致傳感器動(dòng)態(tài)性能減低，浪費(fèi)成本[4?6]。

當(dāng)前研究出的信號(hào)整流器設(shè)計(jì)方法取得了一定的進(jìn)展，也存在很多問(wèn)題。其中，文獻(xiàn)[7]為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，對(duì)整流器兩側(cè)輸入電壓基波的幅值與相位進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)也對(duì)輸入電感電流進(jìn)行了處理。它是間接地對(duì)電流進(jìn)行操作，控制結(jié)構(gòu)單一，靜態(tài)特點(diǎn)較佳，但是會(huì)使動(dòng)態(tài)反應(yīng)滯后，引起直流電流偏移，在真實(shí)使用環(huán)境下使用效果不理想。文獻(xiàn)[8]在自動(dòng)控制原理閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上，對(duì)交流電流進(jìn)行操作，達(dá)到及時(shí)定位，設(shè)置電流信號(hào)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(shù)整流的調(diào)控任務(wù)。這種整流器可使電流調(diào)控快速反應(yīng)、高效率限流，但是存在控制誤差大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]提出PWM整流器直接功率控制方法，把傳感器信號(hào)看成是一種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，確保傳感電流預(yù)測(cè)到形似異步電機(jī)的虛擬磁鏈，然后利用異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，完成PWM整流器的管理。該方法不用對(duì)坐標(biāo)變換和解耦，當(dāng)傳感信號(hào)存在較高波動(dòng)時(shí)，存在較低的電流諧波，但容易受參數(shù)的干擾，在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中很難推廣。文獻(xiàn)[10]提出一種兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PWM整流器前饋控制，該方法易使傳感器受到負(fù)序基波分量的干擾。

為了解決上述分析問(wèn)題，本文提出基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)整流器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將整流器的直流母線電壓的輸出當(dāng)成傳感器系統(tǒng)擾動(dòng)，通過(guò)自抗擾控制器的及時(shí)定位和動(dòng)態(tài)彌補(bǔ)性能增強(qiáng)傳感器的抗擾動(dòng)性能。

1 基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)整流器設(shè)

計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 自抗擾控制整流器總體設(shè)計(jì)

基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)整流器硬件部分包括主電路、控制電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在整個(gè)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(jìn)入DSP的路徑需要通過(guò)控制電路來(lái)控制傳感器尖峰信號(hào)才能夠完成。選用電機(jī)控制特定芯片TMS320F2812 DSP作為控制尖峰信號(hào)電路的調(diào)控關(guān)鍵部件，其主要由可以控制尖峰信號(hào)、規(guī)劃信號(hào)人機(jī)控制電路、規(guī)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(hào)電路組成。檢測(cè)電路由輸出電壓與電流測(cè)驗(yàn)電路以及直流母線電壓測(cè)驗(yàn)組成。

將測(cè)試出的傳感器電壓和電流數(shù)據(jù)導(dǎo)入DSP中，起到管理輸出和保障電阻承擔(dān)能力的作用。

1.2 控制器的主要硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 主控電路設(shè)計(jì)

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(hào)整流器調(diào)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(hào)整流器的脈沖電平的轉(zhuǎn)換的電路、通信接口電路以及LED等組成。當(dāng)頻率顯示為150 MHz時(shí)，把TMS320F2812芯片作為DSP的核心器件，進(jìn)而完成傳感器尖峰信號(hào)的收集、外部停止的收集和反應(yīng)、管理算法的運(yùn)行以及對(duì)全部體系進(jìn)行管理的功能。DSP 的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。運(yùn)行使用的電源為3.3 V和5 V，利用A/D選擇的標(biāo)本電路測(cè)驗(yàn)傳感器中電流與電壓和 IPM 測(cè)驗(yàn)結(jié)果，可使 I/O 電路模擬量與數(shù)字量之間雙向互換。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(qū)動(dòng)板中進(jìn)行進(jìn)一步的操作。在傳感器運(yùn)行狀態(tài)下TTL 電平的電壓是5 V，CMOS 電平的電壓是10 V。要想確保實(shí)現(xiàn)TTL 電平和CMOS電平的精準(zhǔn)互換，需在MC14504B 的各個(gè)進(jìn)入口接 10 kΩ 的下拉電阻，并保證同DSP 控制器以及驅(qū)動(dòng)電路具有相同的直流電源和地。IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)電阻 RG為10 Ω，把一對(duì)16 V反串聯(lián)的穩(wěn)壓管連接在驅(qū)動(dòng)板信號(hào)輸出點(diǎn)，起到保護(hù)IGBT的作用。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

1.2.3 自抗擾控制器電路設(shè)計(jì)

將尖峰信號(hào)整流器的直流母線電壓的輸出當(dāng)成傳感器系統(tǒng)的擾動(dòng)，采用自抗擾控制器的及時(shí)定位和動(dòng)態(tài)彌補(bǔ)性能，增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)的抗擾動(dòng)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO以及非線性狀態(tài)偏差反應(yīng)構(gòu)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(yīng)用定位微分器對(duì)傳感器系統(tǒng)輸入尖峰信號(hào)進(jìn)行定位再釋放有利的微分消息；再通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀察器對(duì)傳感器系統(tǒng)的里外部尖峰信號(hào)產(chǎn)生的擾動(dòng)干擾情況進(jìn)行評(píng)估，利用非線性回應(yīng)步驟獲取各尖峰信號(hào)產(chǎn)生的差異特征；最后取得傳感器系統(tǒng)的自抗擾控制律，對(duì)傳感器系統(tǒng)的內(nèi)外部尖峰信號(hào)產(chǎn)生的差異特征實(shí)施彌補(bǔ)。該種方法可增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)和模板的抗尖峰信號(hào)產(chǎn)生的高次諧波干擾性能，具有很強(qiáng)的控制作用。電壓外圍用于管理傳感器尖峰信號(hào)整流器的直流側(cè)電壓，電流內(nèi)部可根據(jù)電壓外圍傳遞的電流命令管理電流。自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 軟件整流算法的設(shè)計(jì)

按照雙閉環(huán)管理計(jì)算的模仿程序，控制器可使用 SVPWM 調(diào)控方法，撰寫DSP的控制程序達(dá)到控制傳感器尖峰信號(hào)整流器輸入端的高次諧波的目標(biāo)。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?qū)?zhí)行操作系統(tǒng)變量開(kāi)端化與中斷操作寄存器計(jì)劃進(jìn)行具體部署，并處理操作末尾的數(shù)據(jù)變化和系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)傳感器尖峰信號(hào)的檢測(cè)以及動(dòng)態(tài)分析，具體的流程圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證提出的基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)整流器性能的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)設(shè)置傳感器尖峰信號(hào)整流器的基本參數(shù)是：電網(wǎng)電壓 220 V/40 Hz，交流側(cè)電感3.7 mH，直流側(cè)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(kāi)關(guān)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(hào)整流器直接功率控制策略的仿真平臺(tái)如圖7所示，僅對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行采樣，采用自抗擾控制方式，其仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8描述的是傳感器尖峰信號(hào)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(wěn)，具有較高的動(dòng)態(tài)性能，超調(diào)量低于4%，實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求。傳感器尖峰信號(hào)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(jìn)行變化，并且在0.015 s后保持平穩(wěn)，具有較高的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期調(diào)控要求。

在0.07 s時(shí)向傳感器傳遞一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，確保系統(tǒng)自主恢復(fù)到直流電壓的預(yù)設(shè)值，對(duì)比分析基于動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制的尖峰信號(hào)整流器和本文設(shè)計(jì)的基于自抗擾控制的尖峰信號(hào)整流器仿真波形，如圖10和圖11所示。分析兩圖可得，相對(duì)于動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方法，本文提出的基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)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(hào)可立刻恢復(fù)到預(yù)期值。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，從開(kāi)始整流到整流空載運(yùn)行時(shí)，本文提出的自抗擾控制方法下的傳感器系統(tǒng)開(kāi)啟電流較低，并且直流側(cè)電壓即刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，同時(shí)本文方法對(duì)系統(tǒng)負(fù)載干擾傳感器尖峰信號(hào)整流器直流側(cè)電壓的超調(diào)低于2%，抵御負(fù)載擾動(dòng)的性能較強(qiáng)。

4 結(jié) 論

本文提出基于自抗擾控制的傳感器尖峰信號(hào)整流器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將尖峰信號(hào)整流器的直流母線電壓的輸出當(dāng)成系統(tǒng)擾動(dòng)，通過(guò)自抗擾控制器的及時(shí)定位和動(dòng)態(tài)彌補(bǔ)性能，增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。整流器硬件部分給出了主電路、信號(hào)采集電路以及控制電路的設(shè)計(jì)，將TMS320F2812作為整流器的核心控制芯片，利用其高速運(yùn)算能力，提高系統(tǒng)的性能。軟件設(shè)計(jì)部分給出軟件主程序和自抗擾算法的設(shè)計(jì)流程圖。仿真結(jié)果表明，傳感器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，網(wǎng)側(cè)電流諧波明顯減少，制約尖峰信號(hào)濾波器形成的諧振干擾，達(dá)到預(yù)期控制效果。

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