振动台电源高精度数字控制系统设计

高磊　刘祥言　陶彦飞

摘 要：为提升振动台供电电源的输出波形稳定性与控制精度，提出了一种基于PID算法和SPWM调制的改进型控制方案。振动台电源控制系统的总体框架包括控制器、整流、逆变、滤波及通信等模块。控制电路采用PID控制器，并利用倍频SPWM调制将控制器的输出量转换为逆变电路的控制信号，实现了对电源输出的高精度控制。仿真结果表明，电源的电压电流输出波形稳定，验证了所提方案的有效性。

关键词：电源控制;振动台;整流;逆变

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：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

振動实验是一种重要的产品检验实验，在航空、航天、汽车、电子及通信等领域得到了广泛应用[1-2]。其中，振动台作为振动实验的重要设备，对其运行可靠性具有较高要求。按照驱动原理，振动台可分为机械式振动台、电液式振动台、电动式振动台及电磁式振动台等。振动台功率一般较高，对供电电源提出了较高的输出能力和稳定性要求[3-5]。特别是电磁式振动台，对供电电源性能要求较高，需要对电源输出进行高精度稳定控制。为此，针对振动台电源的稳定控制问题，提出了一种基于PID算法和SPWM调制的改进型控制方案，以提升电源输出的控制精度和稳定性。

1 振动台电源系统总体设计

振动台电源控制系统总体框架如图1所示，主要由整流电路、逆变、滤波控制器和通信等模块构成[6]。整流电路的作用是将电网中的三相交流电转换为直流电，从而为逆变电路提供直流电源。逆变电路由IGBT功率器件构成。控制器对逆变电路的功率器件进行开关控制，从而将直流电源逆变为交流电，再经过滤波电路对电源波形进行滤波整形，进一步提升电源波形质量。

振动台电源的电路结构采用交-直-交（AC-DC-AC）变换结构。该电源结构以380 V电网交流电作为电源输入源，通过直流整流，再经过逆变电路和滤波，最终将电源转换为波形稳定的交流电，且可控制输出的电压值。振动台电源主电路采用三相不可控整流桥，将交流电转换为直流电，并引入共模电感抑制电磁干扰，同时引入电容对差模噪声进行抑制。逆变电路部分采用了多重结构的全桥逆变器，将两个三相全桥逆变器进行并联，将两个逆变器的输出以一定的相位差进行叠加，从而扩充电源容量，并能够对谐波分量起到抵消作用[7]。

2 电源控制系统设计

为了实现电源对输出波形的高精度控制，需要对逆变桥进行控制系统设计。振动台电源控制系统如图2所示，主要由PID控制器、PWM波调制、信号采集、系统保护及输出反馈等部分构成。系统保护主要是对电源过压、欠压、过流及过温等故障信号进行诊断及保护控制，防止电源系统出现故障[8]。控制系统的主要工作原理是将调制命令信号与实际输出信号的差值输入PID控制器，通过PID控制器运算输出控制值，将控制值经过PWM调制处理转换为功率电路的驱动控制信号，从而实现对输出波形的控制。

PID控制器属于经典线性控制器，具有良好的鲁棒性和稳定性，在电源控制系统中得到了广泛应用，主要由比例、积分、微分3个部分构成。典型的PID控制系统结构如图3所示[9-10]。其中：e（t）表示输入与输出之间的误差值;c（t）表示控制器的输出量，即被控对象的控制量;K表示比例环节的参数;T表示积分时间周期;T表示微分时间周期。

比例环节表示对当前误差的控制，能够对控制误差产生快速响应，即能够根据输出误差立即产生反向控制量，促使误差向缩小的状态方向运行。

参数K能够直接影响控制系统的响应速度。随着比例系数的增加，系统响应速度增加，响应带宽增大。但是，随着比例系数的增加，系统稳定裕度会减小，过渡响应过程会出现超调甚至发生振荡，导致系统变得不稳定，此时需要根据系统响应将比例系数调整至合适大小。

积分环节表示对过去误差的积累控制。在控制系统中，只要有误差存在，积分环节就会发挥控制作用，且随着积分的累积，控制效果会逐渐增强。积分环节通过对误差的累积控制可有效消除输出的静态误差，提高系统的控制精度，但同样不利于系统响应速度的提升，且易造成系统过渡响应过程出现超调。

积分时间周期T取值越大，积分控制效果越弱，但有利于系统稳定性;反之，取值越小，控制效果增强，但不利于系统稳定。因此，積分时间周期T的具体取值需要根据系统实际控制效果进行调整。

微分环节的作用体现在对误差变化趋势的预测。通过对控制误差的微分计算，获取输出误差的变化趋势，并对其进行超前控制。微分控制环节可以提高控制系统的响应速度，即在偏差出现前，根据其误差的微分进行超前校正。微分环节的引入，在提高响应速度的同时，可有效抑制响应超调，提高了系统的稳定性，缓解了响应速度和稳定性之间的矛盾。但是，微分环节易引入高频噪声，对噪声干扰信号较为敏感，可考虑在微分信号的输入端增加滤波器，以抑制噪声干扰。

PID控制器3个环节的总输出可表示为：

PID控制器的输出量需要经过SPWM调制转换为控制三相全桥逆变器的方波控制信号。SPWM调制原理简单，且能够很好地抑制谐波分量，具有良好的调节控制效果。SPWM调制方法可以分为双极调制、单极调制和倍频调制3种方法。其中，倍频SPWM调制方法对直流电压具有较高的利用率。笔者选择倍频调制方法作为驱动控制信号的调制方法，将电压脉冲频率增加一倍，可改善电源输出波形的谐波特性。这种调制方法是在单极性调制方法上进行改进，类似在单极性调制方法的基础上选取了两倍频载波，实现了逆变器控制性能的大幅度提升。通过倍频SPWM调制，将PID控制器的输出量转换为具体的逆变器控制信号，最终可实现对电源输出波形的高精度控制。

3 试验结果

为了验证电源控制系统的控制效果，对控制方案进行仿真实验。振动台电源的逆变器开关控制频率设定为50 kHz，系统响应的剪切频率为10 kHz。控制系统的低频段具有较高的增益，可以实现对输出电流幅值的快速控制，使输出电流迅速跟踪输入命令。中频段具有充足的相频裕度，保证系统具有足够的稳定性。整个系统的响应速度较快，稳定性适中。振动台电源控制输出的电压电流波形如图4所示，其中横坐标为时间，纵坐标波形分别为电源控制输出的电流波形和电压波形，电流单位为A，电压单位为V。由图4可知，电源的电压电流正弦输出波形稳定且噪声较小，输出波形质量能够满足振动台对电源的性能要求，验证了控制方案的可行性。

4 结语

振动台电源的输出控制性能对振动台运行性能具有重要影响。提出的数字电源控制系统设计方案能够有效提升振动台电源响应带宽，并能够根据需要对电源功能进行扩展，有利于提升电源设备的可靠性和可扩展性。振动台电源控制系统方案采用逆变电路并联结构构成多重逆变电路，并利用数字化SPWM调制方法对逆变电路控制信号进行调制，采用经典PID控制算法作为电压电流控制器，实现了对电源输出波形的高精度控制。试验结果表明，电源输出波形稳定，验证了该改进方案的有效性，有利于振动台电源的性能提升。

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