基于模糊PID控制的雙峰脈沖電鍍電源的設計

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,有三個獨立的可調參數(脈沖平均電流密度、導通時間和關斷時間)[1],適用于所有鍍種。采用脈沖電鍍可以提高鍍層質量、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,有利于提高鍍層質量。

2　系統結構

該雙峰脈沖電鍍電源的系統原理框圖如圖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過三相全控整流橋變?yōu)槊}動直流電壓,濾波電容將脈動直流電壓變?yōu)楸容^平滑的直流電壓,再經過DC/DC變換電路轉化為矩形波,最后經脈沖變壓器輸出負載所需的雙峰脈沖電流。控制電路主要完成脈沖電流幅值、頻率和脈寬的控制以及對電源的保護。

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)脈沖由微機控制部分實現。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變換器的四個開關管均在零電壓條件下導通。與普通的硬開關全橋電路相比,其成本和電路的復雜程度基本沒有增加,所不同的是它采用了移相控制,在開關換流時利用諧振實現了開關器件的零電壓開啟,消除了開關損耗[2]。主電路拓撲如圖2所示,圖中TP為脈沖變壓器,變壓器副邊抽頭在匝數比為1:2處,以實現雙峰電流輸出。

圖3為該電路的驅動信口。同一橋臂上兩個開關管的驅動信號互補,為了防止上下兩管同時導通,設置了一定的死區(qū)時間。不同橋臂上的驅動信號之間保持一個相位差。在這里,VT1和VT3分別超前VT4和VT2ΔT時間導通。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。只有在VT1和VT4同時導通,或VT2和VT3同時導通時,變壓器才能向副邊傳遞能量。當VT1和VT4同時導通時,脈沖變壓器原邊電壓與恒壓源極性相同,VD5導通,VD6截止,流經負載的電流為I1。VT2和VT3同時導通時,脈沖變壓器原邊電壓與恒壓源極性相反,VD6導通,VD5截止,流經負載的電流為I2。由于變壓器副邊抽頭在匝數比為1:2處,故2I1=I2,實現了雙峰電流輸出。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的驅動信號、輸出脈沖電流幅值的檢測及其閉環(huán)控制、過流過壓保護等。

TMS320LF2407有兩個事件管理模塊EVA和EVB,在事件管理器模塊中,每個比較單元和通用定時器1(EVA模塊)或通用定時器3(EVB模塊),死區(qū)單元及輸出邏輯可在兩個特定的器件引腳上產生一對具有可編程死區(qū)以及輸出極性的PWM輸出[3]。在每個EV模塊中有6個這種與比較單元相關的PWM輸出引腳,將其中的4路輸出到TMS320LF2407的PWM7 PWM10口,經過74HC02或非門進行邏輯互鎖后分別輸出到每個IGBT的驅動模塊中。

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

電流幅值的控制是通過改變整流橋移相觸發(fā)角來實現的。將電流幅值的給定信號與反饋信號送入TMS320LF2407進行模糊PID運算,根據其運算結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,最終達到對脈沖電流幅值的閉環(huán)控制。

3　控制算法

電流幅值的穩(wěn)定性對鍍層質量有著重要作用。電鍍過程中負載隨電解液的濃度變化,是一個高度非線性、時變的隨機不確定過程。為了更好的對電流幅值進行控制,采用模糊PID控制器。

(1)模糊控制器的結構選二維模糊控制器,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、積分系數和微分系數;k、j代表第k、j個采樣時刻。

(2)模糊化把誤差e、誤差變化率Δe、輸出變量u(k)都分為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)七個模糊量。為簡化工作量,選隸屬度函數為三角形,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)則實現的。模糊控制規(guī)則表達了人對被控對象執(zhí)行控制時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應下的模糊輸出Cij之后,可得到一個反映輸入變量與輸出變量對應關系的元素,可將此元素填入控制表的適當位置,若干次類似的計算,最終得到了整個完善的控制表。根據上述模糊規(guī)則進行模糊推理,即可得出輸出變量的隸屬度函數。

(4)解模糊

對上述模糊推理的結果采用重心法反模糊化。所謂重心數法也稱力矩法,它對模糊量所含的所有元素求取其重心元素[4]。這個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　實驗結果

根據以上思想設計了脈沖電鍍電源。圖6和圖7是通過示波器測得的輸出電流波形,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.結論

從實驗結果可以看出,該脈沖電源的頻率在100～200Hz之間連續(xù)可調,脈沖寬度在1～4ms之間連續(xù)可調,且輸出電流為雙峰脈沖,滿足電鍍工藝的要求,為進一步提高鍍層質量、延長材料壽命提供了更好的條件。