基于模糊PID控制的雙峰脈沖電鍍電源的設(shè)計(jì)

1　引言

電鍍可以改善材料外觀、提高耐腐蝕性能、抗磨損、減少摩擦、增加硬度,還可以使材料具有特殊的磁、電、光、熱和焊接等表面特性以及其它物理性能。根據(jù)電鍍采用電源電流波形的不同,電鍍大致分為直流電鍍、周期換向電鍍和脈沖電鍍等。脈沖電鍍是使電鍍回路周期性地接通和斷開,有三個(gè)獨(dú)立的可調(diào)參數(shù)(脈沖平均電流密度、導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間)[1],適用于所有鍍種。采用脈沖電鍍可以提高鍍層質(zhì)量、縮短電鍍周期,節(jié)約材料,尤其在節(jié)約貴金屬方面有重大意義?；诖吮尘?研究了一套具有雙峰脈沖電流輸出的電鍍電源,它能夠比較精確的控制脈沖寬度、頻率和幅值,有利于提高鍍層質(zhì)量。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該雙峰脈沖電鍍電源的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,由主電路和控制電路兩部分組成。主電路包括三相全控整流橋、濾波電路和DC/DC變換電路。三相交流工頻電壓經(jīng)過三相全控整流橋變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓,濾波電容將脈動(dòng)直流電壓變?yōu)楸容^平滑的直流電壓,再經(jīng)過DC/DC變換電路轉(zhuǎn)化為矩形波,最后經(jīng)脈沖變壓器輸出負(fù)載所需的雙峰脈沖電流?？刂齐娐分饕瓿擅}沖電流幅值、頻率和脈寬的控制以及對(duì)電源的保護(hù)。

2.1　主電路

該電源整流部分采用三相全控橋晶閘管整流,其觸發(fā)脈沖由微機(jī)控制部分實(shí)現(xiàn)。DC/DC變換電路采用移相控制全橋(Full Bridge,FB)PWM變換器,它是利用變壓器的漏感和功率管的寄生電容作為諧振元件,使FB PWM變換器的四個(gè)開關(guān)管均在零電壓條件下導(dǎo)通。與普通的硬開關(guān)全橋電路相比,其成本和電路的復(fù)雜程度基本沒有增加,所不同的是它采用了移相控制,在開關(guān)換流時(shí)利用諧振實(shí)現(xiàn)了開關(guān)器件的零電壓開啟,消除了開關(guān)損耗[2]。主電路拓?fù)淙鐖D2所示,圖中TP為脈沖變壓器,變壓器副邊抽頭在匝數(shù)比為1:2處,以實(shí)現(xiàn)雙峰電流輸出。

圖3為該電路的驅(qū)動(dòng)信口。同一橋臂上兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ),為了防止上下兩管同時(shí)導(dǎo)通,設(shè)置了一定的死區(qū)時(shí)間。不同橋臂上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間保持一個(gè)相位差。在這里,VT1和VT3分別超前VT4和VT2ΔT時(shí)間導(dǎo)通。由于采用大電容濾波,所以,FB PWM變換器的輸入端可近似看作一恒壓源,極性為上正下負(fù)。只有在VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通,或VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí),變壓器才能向副邊傳遞能量。當(dāng)VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通時(shí),脈沖變壓器原邊電壓與恒壓源極性相同,VD5導(dǎo)通,VD6截止,流經(jīng)負(fù)載的電流為I1。VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí),脈沖變壓器原邊電壓與恒壓源極性相反,VD6導(dǎo)通,VD5截止,流經(jīng)負(fù)載的電流為I2。由于變壓器副邊抽頭在匝數(shù)比為1:2處,故2I1=I2,實(shí)現(xiàn)了雙峰電流輸出。圖4為輸出電流波形。兩脈沖的周期、脈寬相等,即T1s=T2s,t1on=t2on。

控制電路

控制電路以TI公司的TMS320LF2407DSP為核心,主要完成三相全控整流橋的觸發(fā)脈沖、DC/DC變換電路中功率管IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、輸出脈沖電流幅值的檢測(cè)及其閉環(huán)控制、過流過壓保護(hù)等。

TMS320LF2407有兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB,在事件管理器模塊中,每個(gè)比較單元和通用定時(shí)器1(EVA模塊)或通用定時(shí)器3(EVB模塊),死區(qū)單元及輸出邏輯可在兩個(gè)特定的器件引腳上產(chǎn)生一對(duì)具有可編程死區(qū)以及輸出極性的PWM輸出[3]。在每個(gè)EV模塊中有6個(gè)這種與比較單元相關(guān)的PWM輸出引腳,將其中的4路輸出到TMS320LF2407的PWM7 PWM10口,經(jīng)過74HC02或非門進(jìn)行邏輯互鎖后分別輸出到每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊中。

頻率和脈寬由電位器給定,將給定電壓信號(hào)送給TMS320LF2407的模擬量輸入口ADCIN00 AD CIN01,由該芯片內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后,輸出脈沖頻率和寬度連續(xù)可調(diào)的脈沖控制信號(hào)。

電流幅值的控制是通過改變整流橋移相觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)的。將電流幅值的給定信號(hào)與反饋信號(hào)送入TMS320LF2407進(jìn)行模糊PID運(yùn)算,根據(jù)其運(yùn)算結(jié)果來控制三相整流橋的移相觸發(fā)角,以便控制直流電壓的大小,最終達(dá)到對(duì)脈沖電流幅值的閉環(huán)控制。

3　控制算法

電流幅值的穩(wěn)定性對(duì)鍍層質(zhì)量有著重要作用。電鍍過程中負(fù)載隨電解液的濃度變化,是一個(gè)高度非線性、時(shí)變的隨機(jī)不確定過程。為了更好的對(duì)電流幅值進(jìn)行控制,采用模糊PID控制器。

(1)模糊控制器的結(jié)構(gòu)選二維模糊控制器,輸入模糊量為電流幅值誤差e和誤差變化率Δe,輸出模糊量u(k)為晶閘管的移相觸發(fā)角。



其中,KP、KI、KD是PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);k、j代表第k、j個(gè)采樣時(shí)刻。

(2)模糊化把誤差e、誤差變化率Δe、輸出變量u(k)都分為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)七個(gè)模糊量。為簡(jiǎn)化工作量,選隸屬度函數(shù)為三角形,見圖5。

(3)控制規(guī)則與模糊推理



模糊控制是通過模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。模糊控制規(guī)則表達(dá)了人對(duì)被控對(duì)象執(zhí)行控制時(shí)的模糊思維和判別過程。該脈沖電鍍電源的控制規(guī)則表示為如下形式:



在求取了輸入變量對(duì)應(yīng)下的模糊輸出Cij之后,可得到一個(gè)反映輸入變量與輸出變量對(duì)應(yīng)關(guān)系的元素,可將此元素填入控制表的適當(dāng)位置,若干次類似的計(jì)算,最終得到了整個(gè)完善的控制表。根據(jù)上述模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,即可得出輸出變量的隸屬度函數(shù)。

(4)解模糊

對(duì)上述模糊推理的結(jié)果采用重心法反模糊化。所謂重心數(shù)法也稱力矩法,它對(duì)模糊量所含的所有元素求取其重心元素[4]。這個(gè)重心元素就是反模糊化后的精確值。

重心元素u 的求取公式為:



4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上思想設(shè)計(jì)了脈沖電鍍電源。圖6和圖7是通過示波器測(cè)得的輸出電流波形,其中,F表示脈沖頻率,W表示脈沖寬度,Im為脈沖電流幅值。

5.結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,該脈沖電源的頻率在100～200Hz之間連續(xù)可調(diào),脈沖寬度在1～4ms之間連續(xù)可調(diào),且輸出電流為雙峰脈沖,滿足電鍍工藝的要求,為進(jìn)一步提高鍍層質(zhì)量、延長(zhǎng)材料壽命提供了更好的條件。