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，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用具有積極作用。

關鍵詞：單神經(jīng)元PID;微處理器;交流恒流源;快速響應;不對稱規(guī)則法;正弦脈寬調制

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無法適應所有負載類型與容量情況，即參數(shù)整定的結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)間范圍內的任意電流值，并且能夠適應負載的改變而做出自適應調整。

1 單神經(jīng)元PID算法

單神經(jīng)元是構成神經(jīng)網(wǎng)絡的基本組成單位，具有很強的自適應能力和自學習能力，并且具有響應速度快的優(yōu)點[6]。雖然多層次神經(jīng)網(wǎng)絡控制的自學習、自適應以及聯(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)絡短，控制精度依然高，而且可以具有較強的自學習、自適應以及自校正功能。

單神經(jīng)元PID的控制結構圖如圖1所示。單神經(jīng)元PID的控制輸出u（k）作為SPWM波的調制度，通過控制u（k）大小來達到調制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、自適應的閉環(huán)控制效果，使恒流源的精度與響應速度更優(yōu)。

此控制器的控制算法為：

式中w1，w2，w3為PID的三個參數(shù)。權值的調整按有監(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，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為調制度。

3 交流恒流源結構設計

交流恒流源的設計主要分為硬件結構設計和軟件流程設計。硬件結構設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，對實現(xiàn)整個交流電的恒流過程呈現(xiàn)清晰化的結構指導。軟件流程設計主要包括單神經(jīng)元PID控制算法的程序實現(xiàn)以及SPWM波的產(chǎn)生過程，前文對相關的理論知識做了相應介紹，后續(xù)則應對該算法具體的軟件實現(xiàn)做流程設計。

3.1 硬件結構設計

系統(tǒng)的硬件結構圖如圖3所示。AC-DC電路模塊將220 V

交流市電整流濾波轉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)設定目標所需要的程序代碼。交流互感器和采樣調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動電路處理后才能正常驅動H橋模塊中的開關器件工作，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，更新權重w1，w2，w3的值;接著將權重作求和處理，得出PID的具體值;最后，將該控制算法的輸出結果與SPWM波相結合，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，計算調制波和載波之間交點的時間坐標，在中斷服務程序中對計算結果作相應的處理分析，將單神經(jīng)元PID控制輸出作調制運算。最后根據(jù)計算結果控制各個逆變橋中逆變器件的開通與關斷，即在GPIO口輸出不同的電壓值，從而得到相應的SPWM波，其程序流程如圖5所示。

圖5 生成SPWM程序流程

4 實驗結果及分析

實驗結果如表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 語

本文設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波進行調制，然后通過驅動電路和逆變電路，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，更能適應輸入和負載的改變。實驗結果表明，本文所設計的恒流源系統(tǒng)能夠很好地跟蹤輸入和適應負載的變化。

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，2014（3）：53-55.

[2]張帆.一種交流恒流電源的設計[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調制的大功率交流恒流源[J].機電技術，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計[J].國外電子測量技術，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計[J].電源技術，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及應用[J].現(xiàn)代電子技術，2003，26（13）：33-34.