基于微處理器的單神經(jīng)元PID交流恒流源裝置

王學佳

摘 要：文中設(shè)計一種基于單神經(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波進行調(diào)制，在外界負載發(fā)生改變的情況下，達到保持電路電流恒定的目的。實驗結(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文獻標識碼：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控制而達到恒流的目的[2-4]，傳統(tǒng)PID無法適應(yīng)所有負載類型與容量情況，即參數(shù)整定的結(jié)果只能適合單種負載或者固定電流等級情況[5]。因此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種可以自學習而改變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，具有很強的自適應(yīng)能力和自學習能力，并且具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點[6]。雖然多層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自學習、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)，但是其學習時間較單神經(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控制可以實現(xiàn)在線實時整定參數(shù)，對復雜以及時變系統(tǒng)具有更優(yōu)的控制效果。本文所設(shè)計的智能恒流源系統(tǒng)實時性較高，采用單神經(jīng)元PID控制，學習時間比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)短，控制精度依然高，而且可以具有較強的自學習、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）大小來達到調(diào)制SPWM波的目的，從而控制交流電流的大小，滿足負載的工作要求，能夠讓執(zhí)行器在較為理想的狀態(tài)下對執(zhí)行對象進行更好地支配。同時，通過對輸出結(jié)果y（k）進行采樣變換處理，作為單神經(jīng)元PID控制的反饋輸入，達到自學習、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學習規(guī)則實現(xiàn)。

式中：

η為學習速率，η范圍在0～1之間;K為神經(jīng)元的比率系數(shù)，K>0。在實際調(diào)試時，η取0.4，K取1.7。當K值取得過大時系統(tǒng)發(fā)散，當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行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點是所得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有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，其脈寬表達式是一個超越方程，計算量大，難以達到實時控制的效果[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，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于計算機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達到預期的目的。此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在計算復雜、數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大以及不能實時控制的缺點[10]。

對稱規(guī)則采樣法由經(jīng)過采樣的正弦波（實際上是階梯波）與三角波相交，根據(jù)二者的相交點來得到脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波。其達到的效果與自然采樣法相近，但計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和底點位置與正弦波的交點作為采樣點，根據(jù)采樣點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。實驗結(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，既在三角波的頂點位置采樣，又在三角波的底點位置采樣，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)制的正弦波的當前值（該值事先通過計算后制表放入FLASH中），作為產(chǎn)生SPWM波的寄存器中比較寄存器的值。定時器計數(shù)值大于比較寄存器的值時，輸出低電平，定時器計數(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

交流恒流源的設(shè)計主要分為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件流程設(shè)計。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計以微處理器為核心，連接外圍電路及模塊，為算法的實現(xiàn)搭建平臺和基礎(chǔ)，對實現(xiàn)整個交流電的恒流過程呈現(xiàn)清晰化的結(jié)構(gòu)指導。軟件流程設(shè)計主要包括單神經(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現(xiàn)做流程設(shè)計。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)閱蜗嘟涣麟姡⒔?jīng)LC濾波電路濾除高次諧波含量后供給負載。控制電路模塊中的微處理器TMS320F2812屬于核心數(shù)據(jù)處理模塊，主要運行整個交流恒流源系統(tǒng)來實現(xiàn)設(shè)定目標所需要的程序代碼。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，這樣做能夠避免強電信號竄到弱電部分或弱電信號竄到強電部分，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

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)動逆變電路從而達到交流恒流的目的，因此本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括單神經(jīng)元PID算法和SPWM波的產(chǎn)生。要實現(xiàn)單神經(jīng)元PID算法，首先，進行初始化，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，計算調(diào)制波和載波之間交點的時間坐標，在中斷服務(wù)程序中對計算結(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)制運算。最后根據(jù)計算結(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 實驗結(jié)果及分析

實驗結(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載的變化而變化，負載較小時，輸出電流值略小于給定值;負載較大時，輸出電流值略大于給定值。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計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波進行調(diào)制，然后通過驅(qū)動電路和逆變電路，達到電路恒流的目的。單神經(jīng)元PID克服了傳統(tǒng)PID參數(shù)固定的缺點，更能適應(yīng)輸入和負載的改變。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的恒流源系統(tǒng)能夠很好地跟蹤輸入和適應(yīng)負載的變化。

參 考 文 獻

[1]郁紅兵.基于SPWM的大功率交流恒流源系統(tǒng)研究[J].機電技術(shù)，2014（3）：53-55.

[2]張帆.一種交流恒流電源的設(shè)計[J].電工電氣，2016（7）：19-22.

[3]張少煌，黃金池.一種基于功率開關(guān)的大功率恒流源[J].傳感器世界， 2014（7）：20-24.

[4]楊松，李艷芳，徐欣歌，等.基于H橋及SPWM調(diào)制的大功率交流恒流源[J].機電技術(shù)，2011（3）：80-82.

[5]黃雷，賈興，于治國，等.高穩(wěn)定度大功率交流恒流源設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2009（3）：64-66.

[6]張燕妮.改進型神經(jīng)元PID的大功率恒流源控制器設(shè)計[J].電源技術(shù)，2013（9）：1618-1620.

[7]劉金琨.智能控制[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[8]任小洪，賀映光，方剛.DSP生成SPWM波的一種設(shè)計方法[J].工業(yè)控制計算機，2011，24（1）：95-96.

[9]俞建軍，江先志.一種新型的波峰波谷平均值SPWM采樣法[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2016（2）：54-58.

[10]陳麗虹.基于ARM和SOPC的EIM電性能實驗用多波形逆變控制器裝置研制[D].桂林：桂林理工大學，2014.

[11]馮曉星.基于虛擬儀器的SPWM信號源的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007.

[12]陳偉科.太陽能電池板微型逆變電源逆變驅(qū)動控制研究[D].石家莊：河北科技大學，2017.

[13]謝子青.光電隔離抗干擾技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（13）：33-34.