徐怡 王福林 葉健

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機逆變電路控制策略

徐怡 王福林 葉健

（第七一五研究所，杭州，310023）

為改善聲吶發(fā)射機輸出電壓準(zhǔn)確性并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，將電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于聲吶發(fā)射機控制，基于雙閉環(huán)控制建立了聲吶發(fā)射機的小信號模型，并結(jié)合換能器等效模型建立了發(fā)射機開環(huán)控制與閉環(huán)控制仿真模型，對比分析了兩種控制策略，結(jié)果表明閉環(huán)控制系統(tǒng)有效抑制了輸出電壓受直流母線電壓與換能器等效負載的干擾，并改善了系統(tǒng)動態(tài)性能。

聲吶發(fā)射機；閉環(huán)控制；電壓電流雙環(huán)

聲吶技術(shù)作為主要的海洋探測技術(shù)，其穩(wěn)定發(fā)展是保證海洋軍事技術(shù)得以突破的前提條件［1］。聲吶發(fā)射機是電力電子技術(shù)在聲吶系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，為聲吶系統(tǒng)提供了電能支持，是聲吶系統(tǒng)實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換的重要部分［2］。其主要功能是為聲吶換能器提供單頻、調(diào)頻及組合信號等的正弦波，通常由前級AC/DC與后級DC/AC電路組成。換能器作為發(fā)射機負載有其特殊性，在電氣特性上體現(xiàn)出非線性，以容性為例，工程上常將容性換能器阻抗等效為電阻與電容并聯(lián)的形式，但等效電阻與電容將隨換能器的工作狀態(tài)改變而改變。

文獻［3］介紹了聲吶發(fā)射機的研制，包括信號的產(chǎn)生與控制、功率放大部分的原理及結(jié)構(gòu)等，文中發(fā)射機采用了開環(huán)控制方案，實現(xiàn)了特定頻率的正弦波形輸出，在負載特性較為復(fù)雜的情況下體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能。但開環(huán)控制的輸出易受負載條件及輸入條件的影響，同時開環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較慢，其階躍響應(yīng)存在較大超調(diào)量，易造成器件損害。

針對以上問題，本文將閉環(huán)結(jié)構(gòu)［4，5］引入發(fā)射機控制中，采用電壓與電流雙環(huán)控制策略以穩(wěn)定發(fā)射機電壓輸出，同時提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。電壓環(huán)作為系統(tǒng)控制外環(huán)，電流環(huán)作為系統(tǒng)控制內(nèi)環(huán)，外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的給定。為驗證電壓電流雙環(huán)結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)發(fā)射機的控制，本文在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了發(fā)射機閉環(huán)控制模型，進行仿真分析，結(jié)果表征電壓電流雙閉環(huán)控制能保證輸出電壓的穩(wěn)定并提高發(fā)射機系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減少超調(diào)量。

1　聲吶發(fā)射機系統(tǒng)

發(fā)射機通常由外部交流電源供電，通過AC/DC與DC/AC實現(xiàn)正弦波輸出，輸出頻率范圍約為1 Hz～100 kHz，信號形式可分為單頻、調(diào)頻、組合信號、脈沖串和任意波形信號等。根據(jù)聲吶脈沖式發(fā)射聲波的要求，發(fā)射機輸出正弦波脈沖，脈沖形式可為矩形、正弦形或其他復(fù)雜包絡(luò)。聲吶發(fā)射機的負載是換能器，實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換功能。

聲吶發(fā)射機系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。AC/DC部分可采用單級不控整流、前級不控整流加后級DC/DC穩(wěn)壓、PWM整流等方案實現(xiàn)。由于單級不控整流形式簡單可靠，故被廣泛用于聲吶發(fā)射系統(tǒng)中?？紤]其不可控性，本文對AC/DC部分不深入研究，而主要研究DC/AC部分的控制方案，DC/AC部分采用單相全橋拓撲。換能器使用電阻與電容等效，容性負載會增大系統(tǒng)無功電流，故系統(tǒng)在負載側(cè)配置匹配電感，此匹配電感在額定工況下與換能器等效電容諧振，理想情況下負載整體對外特性將以純阻性的形式體現(xiàn)。

圖1　聲吶發(fā)射系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖

2　傳統(tǒng)聲吶發(fā)射機控制

發(fā)射機逆變部分（DC/AC）及負載結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)射機前級AC/DC電路為單相全橋逆變電路供電，逆變電路輸出經(jīng)過濾波器為負載供電。考慮聲吶發(fā)射機輸出電壓的頻率以kHz級為主，系統(tǒng)使用串聯(lián)LC濾波器，將LC諧振頻率設(shè)置為發(fā)射機輸出電壓中心頻率實現(xiàn)帶通濾波。RL、CL為換能器等效阻抗，LL為匹配電感。為了模擬換能器阻抗特性的改變，本文通過開關(guān)S并聯(lián)RL2、CL2改變負載。

圖2　基于開環(huán)控制的聲吶發(fā)射機逆變電路及負載結(jié)構(gòu)圖

考慮系統(tǒng)負載較為復(fù)雜，傳統(tǒng)發(fā)射機的DC/AC電路主要采用開環(huán)控制策略，使用SPWM調(diào)制方式，通過調(diào)制比調(diào)節(jié)輸出電壓：

3　基于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機控制

基于閉環(huán)控制的聲吶發(fā)射機逆變電路及負載結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，電壓環(huán)與電流環(huán)都采用比例積分調(diào)節(jié)器，調(diào)制方式采用SPWM調(diào)制。

圖3　基于閉環(huán)控制的聲吶發(fā)射機逆變電路及負載拓撲結(jié)構(gòu)

3.1雙環(huán)控制原理

雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)由電壓控制與電流控制組成。電壓控制比較電壓給定值與電壓反饋值，得到電壓誤差信號，通過PI補償器得到電流給定，從而實現(xiàn)了電壓的無靜差控制。電壓控制的頻域表達式為：

其中vref為輸出電壓給定，vout為發(fā)射機輸出電壓，kpv為電壓控制器比例參數(shù)，kiv為電壓控制器積分參數(shù)，iref為電壓控制輸出，iref為電流內(nèi)環(huán)給定值。

電流控制比較電壓控制器輸出值與電感電流反饋值，得到電流誤差信號，電流控制同樣采用PI補償器調(diào)節(jié)，得到控制信號。電流控制有效提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，其頻域表達式為：

其中iL為發(fā)射機電感電流，kpi為電流控制器比例參數(shù)，kii為電流控制器積分參數(shù)，v為電流控制輸出，電流控制環(huán)節(jié)的輸出經(jīng)過SPWM調(diào)制，形成全橋橋臂的驅(qū)動信號。

3.2基于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機模型

選取電感電流iL與電容電壓vC為狀態(tài)變量，考慮輸出變壓器理想的情況下，可得到小信號條件下發(fā)射機逆變電路的模型：

大福本來是個瘦弱的小子，但他要裝出強壯的樣子來。穿著膝蓋帶著兜兜的美式陸戰(zhàn)服，把細小的眼睛瞪得賊大。他的老家在哪里，他已經(jīng)說不清楚了，隨著剛進城時的豪言壯語被歲月淹沒。他很難用一個恰當(dāng)?shù)穆殬I(yè)來確定自己的身份，因為世上沒有他沒干過的事情：建筑工人，送貨員，收廢品，導(dǎo)購，公司接待，銷售，保安，打手，小偷，無賴，討債……無不涉獵。胳膊上的紋身涂抹了又紋上，紋上又涂抹掉，幾次折騰下來，平滑健碩的皮膚便留下了難看的疤痕。這竟成了他炫耀的資本！

其中R為電感寄生電阻，RL為發(fā)射機負載等效電阻，v為逆變器橋臂輸出電壓，n為變壓器的變比。

根據(jù)發(fā)射機逆變電路的模型，得到電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，根據(jù)控制框圖可得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

圖4　發(fā)射機逆變電路結(jié)構(gòu)框圖

4　仿真驗證

為驗證閉環(huán)結(jié)構(gòu)在發(fā)射機控制中能有效實現(xiàn)恒壓輸出，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了開環(huán)發(fā)射機系統(tǒng)模型，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。在開環(huán)發(fā)射機系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了閉環(huán)發(fā)射機系統(tǒng)并搭建了仿真模型。對直流母線電壓變化與換能器等效負載變化兩種情況進行了模擬仿真。

表1　發(fā)射機系統(tǒng)參數(shù)

4.1直流母線電壓變化

考慮工程實際，系統(tǒng)直流母線電壓無法維持完全恒定，為模擬直流母線電壓變化對發(fā)射機輸出電壓的影響，仿真中在0.019 s時將直流母線電壓設(shè)置為530 V，即直流母線電壓在0.019 s時從570 V變化到530 V。

為模擬聲吶系統(tǒng)脈沖式發(fā)射的需求，仿真中每0.02 s發(fā)射一次輸出脈沖，脈沖寬度為0.01 s。圖5表征了直流母線電壓從570 V變化至530 V時，發(fā)射機在開環(huán)控制與閉環(huán)控制情況下的輸出電壓仿真波形。圖5（a）為開環(huán)情況下的輸出電壓波形，可見輸出電壓超調(diào)量較大，容易引起器件過壓損壞；同時隨直流母線電壓的變化，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值從1 138 V改變到1 098 V。圖5（b）為閉環(huán)情況下的輸出電壓波形，在直流母線電壓改變前后，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值能維持1 075 V恒定，即閉環(huán)控制能有效減小直流母線電壓變化對輸出電壓的影響。

圖5　直流母線電壓變化時發(fā)射機的輸出電壓

4.2換能器等效負載變化

發(fā)射機的負載換能器，隨其工作環(huán)境的不同（如水深、溫度等），換能器等效負載會相應(yīng)發(fā)生變化。為模擬換能器等效負載的變化對發(fā)射機輸出電壓的影響，仿真中在0.019 s將負載設(shè)置為100 ?、1.5 μF，即發(fā)射機負載在0.019 s時從200 ?、1.0 μF變化為100 ?、1.5 μF。

圖6表征了換能器等效負載變化前后，發(fā)射機在開環(huán)控制與閉環(huán)控制情況下的輸出電壓仿真波形。圖6（a）為開環(huán)情況下的輸出電壓波形，隨負載的變化，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值從1 138 V改變到1 405 V。圖6（b）為閉環(huán)情況下的輸出電壓波形，在換能器等效負載改變前后，輸出電壓穩(wěn)態(tài)最大值能維持1 075 V恒定，即換能器等效負載的改變對基于閉環(huán)控制的發(fā)射機輸出電壓的影響較小。

圖6　換能器等效負載變化時發(fā)射機的輸出電壓

5　結(jié)論

針對聲吶發(fā)射機開環(huán)控制中存在的問題，給出了聲吶發(fā)射機電壓電流雙閉環(huán)控制方案并建立了雙閉環(huán)逆變器小信號模型，對比驗證了控制方案的可行性，得到如下結(jié)論：

（1）電壓電流雙閉環(huán)控制可應(yīng)用于聲吶發(fā)射機實現(xiàn)輸出電能質(zhì)量的優(yōu)化。

（2）較開環(huán)控制策略，基于電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的聲吶發(fā)射機輸出電壓在輸入直流母線電壓改變時能保持穩(wěn)定。

（3）在負載改變時，電壓電流雙閉環(huán)能有效控制發(fā)射機輸出電壓跟蹤給定的變化，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。

[1] 李啟虎. 水聲學(xué)研究進展[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 2001,26(4): 295-301.

[2] 朱建軍, 陳寶偉 李海森. 寬帶大功率聲吶AM信號發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 應(yīng)用聲學(xué). 2014, 33(6):490-495.

[3] 車平, 覃桂科, 葉健. 高頻大功率脈寬調(diào)制聲吶發(fā)射機的研制[J].聲學(xué)與電子工程, 2006, (2):36-38.

[4] 王成山, 肖朝霞, 王守相. 微網(wǎng)中分布式電源逆變器的多環(huán)反饋控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報. 2009,24(2):100-107.

[5] 徐志英, 許愛國, 謝少軍. 采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)入網(wǎng)電流控制技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009, 29(27):37-41.