摘 要： 传感器尖峰信号会产生高次谐波，干扰传感器设备的正常运行，造成大量的能耗。当前方法主要通过提升信号整流器前端电感值，降低谐波对传感器的干扰，破坏系统的稳定性。提出基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器设计方法，将尖峰信号整流器的直流母线电压的输出当成系统扰动，设计自抗扰控制器的定位和动态弥补功能，改进传统设计，增强传感器的抗扰动性能，给出软、硬件设计方法。测试结果表明，优化设计的整流器动态性能良好，网侧电流谐波明显减少，制约了尖峰信号滤波器形成的谐振干扰，达到预期效果。
关键词： 传感器； 尖峰信号整流器； 自抗扰控制； 设计方法
中图分类号： TN911?34； TM46 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）16?0075?04
Abstract： Sensor spike signal can produce high?order harmonic， interfere with the normal operation of sensor device， and cause plenty of energy consumption. With the current methods， the signal rectifier front?end inductance value is increased and the harmonic interference with sensor is reduced， but the stability of the system is destroyed. A design method of sensor spike signal rectifier based on active?disturbance?rejection control is proposed. DC bus voltage output of the spike signal rectifier is regarded as the system disturbance to design the positioning and dynamic remedy function of the active?disturbance?rejection controller， improve the traditional design， and enhancing disturbance resistance performance of sensor. The hardware and software design methods are given in this paper. The test results show that the dynamic performance of the optimally?designed rectifier is good， the current harmonic on net side is reduced significantly， and the harmonic interference caused by spike signal filter is restricted. The desired effect was achieved with the method.
Keywords： sensor； spike signal rectifier； active?disturbance?rejection control； design method
0 引 言
由于传感器尖峰信号产生一定的高次谐波，对传感器配置造成扰乱影响，降低了传感器性能，可能带来巨大风险[1?3]。因此，需要通过整流器对变换的传感器尖峰信号进行调控，确保传感器网侧两端传输电流正常变化率平稳。传统的方法主要提升信号整流器前端电感值，降低谐波，导致传感器动态性能减低，浪费成本[4?6]。
当前研究出的信号整流器设计方法取得了一定的进展，也存在很多问题。其中，文献[7]为了实现单位功率因数整流，对整流器两侧输入电压基波的幅值与相位进行了改进，同时也对输入电感电流进行了处理。它是间接地对电流进行操作，控制结构单一，静态特点较佳，但是会使动态反应滞后，引起直流电流偏移，在真实使用环境下使用效果不理想。文献[8]在自动控制原理闭环控制器的基础上，对交流电流进行操作，达到及时定位，设置电流信号的目的，让交流端输入的相电压与相电流具有一致相位，完成单位功率因数整流的调控任务。这种整流器可使电流调控快速反应、高效率限流，但是存在控制误差大的问题。文献[9]提出PWM整流器直接功率控制方法，把传感器信号看成是一种感应电动势，确保传感电流预测到形似异步电机的虚拟磁链，然后利用异步电机的直接转矩控制理论，完成PWM整流器的管理。该方法不用对坐标变换和解耦，当传感信号存在较高波动时，存在较低的电流谐波，但容易受参数的干扰，在现实工业中很难推广。文献[10]提出一种两相旋转坐标系下的PWM整流器前馈控制，该方法易使传感器受到负序基波分量的干扰。
为了解决上述分析问题，本文提出基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器优化设计方法，将整流器的直流母线电压的输出当成传感器系统扰动，通过自抗扰控制器的及时定位和动态弥补性能增强传感器的抗扰动性能。
1 基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器设
计与实现
1.1 自抗扰控制整流器总体设计
基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器硬件部分包括主电路、控制电路、检测电路、驱动电路等，其结构如图1所示。
在整个整流器中控制电路为核心硬件部分，主要包括DSP芯片和它四周电路两大部分，进入DSP的路径需要通过控制电路来控制传感器尖峰信号才能够完成。选用电机控制特定芯片TMS320F2812 DSP作为控制尖峰信号电路的调控关键部件，其主要由可以控制尖峰信号、规划信号人机控制电路、规划传感器直流电压获取电路和获取传感器电压电流与脉冲信号电路组成。检测电路由输出电压与电流测验电路以及直流母线电压测验组成。 将测试出的传感器电压和电流数据导入DSP中，起到管理输出和保障电阻承担能力的作用。
1.2 控制器的主要硬件设计
1.2.1 主控电路设计
DSP控制电路、I/O电路、A/D采样电路、电源电路和光纤接口电路共同组成了传感器尖峰信号整流器调控主控电路。其中，DSP的核心操作器由DSP，A/D芯片、外围电路、尖峰信号整流器的脉冲电平的转换的电路、通信接口电路以及LED等组成。当频率显示为150 MHz时，把TMS320F2812芯片作为DSP的核心器件，进而完成传感器尖峰信号的收集、外部停止的收集和反应、管理算法的运行以及对全部体系进行管理的功能。DSP 的硬件结构图如图2所示。运行使用的电源为3.3 V和5 V，利用A/D选择的标本电路测验传感器中电流与电压和 IPM 测验结果，可使 I/O 电路模拟量与数字量之间双向互换。
1.2.2 驱动电路设计
驱动电路选用的电路板为PSHI2012，TTL电平是TMS320F2812 DSP控制电路传递出的传感器尖峰信号，MC14504B 集成芯片完成TTL电平与CMOS 电平的变换，将CNOS电平传递到驱动板中进行进一步的操作。在传感器运行状态下TTL 电平的电压是5 V，CMOS 电平的电压是10 V。要想确保实现TTL 电平和CMOS电平的精准互换，需在MC14504B 的各个进入口接 10 kΩ 的下拉电阻，并保证同DSP 控制器以及驱动电路具有相同的直流电源和地。IGBT 栅极驱动电阻 RG为10 Ω，把一对16 V反串联的稳压管连接在驱动板信号输出点，起到保护IGBT的作用。驱动电路原理图如图3所示。
1.2.3 自抗扰控制器电路设计
将尖峰信号整流器的直流母线电压的输出当成传感器系统的扰动，采用自抗扰控制器的及时定位和动态弥补性能，增强传感器系统的抗扰动性能。自抗扰控制理论的高性能控制器由非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO以及非线性状态偏差反应构成。自抗扰控制器各模块的工作原理具有一定的差异，其先应用定位微分器对传感器系统输入尖峰信号进行定位再释放有利的微分消息；再通过扩张状态观察器对传感器系统的里外部尖峰信号产生的扰动干扰情况进行评估，利用非线性回应步骤获取各尖峰信号产生的差异特征；最后取得传感器系统的自抗扰控制律，对传感器系统的内外部尖峰信号产生的差异特征实施弥补。该种方法可增强传感器系统内外的数据和模板的抗尖峰信号产生的高次谐波干扰性能，具有很强的控制作用。电压外围用于管理传感器尖峰信号整流器的直流侧电压，电流内部可根据电压外围传递的电流命令管理电流。自抗扰控制器的结构如图4所示。
2 软件整流算法的设计
按照双闭环管理计算的模仿程序，控制器可使用 SVPWM 调控方法，撰写DSP的控制程序达到控制传感器尖峰信号整流器输入端的高次谐波的目标。全部操作模块软件包括主程序以及自抗扰控制算法程序组成。主程序对执行操作系统变量开端化与中断操作寄存器计划进行具体部署，并处理操作末尾的数据变化和系统的工作情况。主程序流程图如图5所示。
自抗扰控制算法程序用于实现传感器尖峰信号的检测以及动态分析，具体的流程图如图6所示。
3 实验分析
采用实验研究验证提出的基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器性能的优劣。实验设置传感器尖峰信号整流器的基本参数是：电网电压 220 V/40 Hz，交流侧电感3.7 mH，直流侧电容3 600 μF，输出电压500 V，输出功率80 kW，直流电压为500 V，开关频率是4 kHz。
利用Matlab/Simulink 搭建的基于自抗扰控制算法的传感器尖峰信号整流器直接功率控制策略的仿真平台如图7所示，仅对交流侧电流进行采样，采用自抗扰控制方式，其仿真结果如图8、图9所示。
图8描述的是传感器尖峰信号整流器输出直流电压波形。分析图8可得0.02 s后电压保持平稳，具有较高的动态性能，超调量低于4%，实现预期要求。传感器尖峰信号整流器输出直流电流波形，如图9所示。从中可得电流很好的跟随电压进行变化，并且在0.015 s后保持平稳，具有较高的动态性能，实现预期调控要求。
在0.07 s时向传感器传递一个扰动信号，确保系统自主恢复到直流电压的预设值，对比分析基于动态闭环控制的尖峰信号整流器和本文设计的基于自抗扰控制的尖峰信号整流器仿真波形，如图10和图11所示。分析两图可得，相对于动态闭环控制方法，本文提出的基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器具有较高的抗噪性能，在受到干扰的情况下，传感器信号可立刻恢复到预期值。
综合分析上述实验结果可得，从开始整流到整流空载运行时，本文提出的自抗扰控制方法下的传感器系统开启电流较低，并且直流侧电压即刻进入稳态，同时本文方法对系统负载干扰传感器尖峰信号整流器直流侧电压的超调低于2%，抵御负载扰动的性能较强。
4 结 论
本文提出基于自抗扰控制的传感器尖峰信号整流器优化设计方法，将尖峰信号整流器的直流母线电压的输出当成系统扰动，通过自抗扰控制器的及时定位和动态弥补性能，增强传感器系统的抗扰动性能。整流器硬件部分给出了主电路、信号采集电路以及控制电路的设计，将TMS320F2812作为整流器的核心控制芯片，利用其高速运算能力，提高系统的性能。软件设计部分给出软件主程序和自抗扰算法的设计流程图。仿真结果表明，传感器系统动态性能良好，网侧电流谐波明显减少，制约尖峰信号滤波器形成的谐振干扰，达到预期控制效果。
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