CN102281012A - 模糊双闭环控制的移相全桥软开关ipm型智能恒电位仪 - Google Patents
模糊双闭环控制的移相全桥软开关ipm型智能恒电位仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种模糊双闭环控制的移相全桥软开关
IPM
型智能恒电位仪，为阴极保护系统提供纯净、可靠的电流，包括主电路和控制电路，所述的主电路由整流电路、滤波电路、
IPM
模块、全桥整流电路及
LC
滤波电路依次电连通构成，所述的控制电路以一
STM32
系列的
MCU
为核心处理器，对所述的
IPM
模块采用模糊双闭环控制算法。本发明采用
IPM
模块，其是
IGBT
、驱动电路、保护电路的合成模块，
IPM
模块自身压降低，损耗小，散热量低，可靠性也比依靠外电路保护的
IGBT
大幅提高，同时由于它的高集成度，可以大大缩减开发周期；可以根据被控对象的实际动态和静态特性，利用规则二维表，自行调整控制参数，以达优异的控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及恒电位仪，特别是，涉及一种模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM（Intelligent Power Module，即智能功率模块）型智能恒电位仪。
背景技术
恒电位仪是外加电流阴极保护系统的核心设备，主要为阴极保护系统提供纯净、可靠的直流电，实现以参比电极电位为控制对象，自动调整电流的输出大小，是参比电位恒定在预置值附近，或者根据具体使用的要求实现恒定电流的输出。
随着电源技术的不断发展，目前继磁饱和、可控硅之后的第三代数控开关电源型恒电位仪采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为功率模块，大大提高了设备的效率、同时减小了设备的体积，增强了设备的可控性和智能化程度。第三代恒电位仪还广泛采用单闭环PID作为实现恒电位或恒电流的控制技术，在一定程度上优化了恒电位仪的输出特性。
然而，IGBT只是一种开关型的功率模块，类似于三极管、莫斯管，需要良好稳定的驱动电路、保护电路与其配合，才能保证其应用可靠，但大多数情况下，由于设计技术不成熟、保护电路响应不及时等问题，IGBT在使用时多暴露出因这些外围辅助电路故障而损坏，第三代开关电源型恒电位仪从上世纪90年代至今，几乎再没有较大的技术革新，尤其是在控制技术、电力电子电路运用等方面，明显落后于电源技术的发展，且在信号采集、散热、封装、组网控制等方面也有着很大的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有智能控制、监测、采集及组网等功能的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，为阴极保护系统提供纯净、可靠的电流，其特征在于：包括
主电路：由输入整流电路、滤波电路、IPM模块、全桥整流电路及LC滤波电路依次电连通构成，
控制电路：以一STM32系列的MCU为核心处理器，
所述的核心处理器外连有供用户给定预设值的显示操作模块，所述的阴极保护系统的参比电极和所述的LC滤波电路的输出经一16位高精度AD转换器处理后得到一采样信号，所述的核心处理器以所述的采样信号与所述的预设值的偏差作为控制信号、经过内部的模糊双闭环控制算法得到用于控制所述的IPM模块的控制信号，所述的IPM的输出信号经过所述的全桥整流电路和所述的LC滤波电路处理后送至所述的阴极保护系统，当所述的IPM模块发生故障时所述的IPM模块能够向所述的核心处理器发出表征所述的IPM模块出现故障的开关量信号，
所述的模糊双闭环控制算法包括模糊PID算法的电流内闭环和纯模糊算法的电位外闭环，
该恒电位仪具有恒电流工作模式和恒电位工作模式：当其处于恒电流工作模式时，用户给定所述的核心处理器一个电流预设值，该电流预设值与所述的采样信号之间的电流偏差作为控制信号经所述的电流内闭环的算法处理后作用于所述的IPM模块，最终得到恒电流输出；当其处于恒电位工作模式时，用户给定所述的核心处理器一个电位预设值，该电位预设值与由所述的采样信号得到的电位信号之间的电位偏差经所述的电位外闭环的算法处理后得到一个送入所述的电流内闭环的电流信号，经所述的电流内闭环的控制作用后输入至所述的IPM模块，最终得到恒电流输出。
优选地，所述的全桥整流电路中还包括软开关电路、高频变压器和用于整流的快恢二极管，所述的软开关电路通过并联电容、饱和电感及阻断电容来实现软开关。
优选地，所述的输入整流电路及所述的滤波电路附有滤波电容充电保护电路。
优选地，所述的核心处理器还外扩有用于与上位机通讯的通讯电路。
优选地，所述的核心处理器与所述的IPM模块所需的低压直流电源均由工频交流输入经过多路隔离AC/DC变换模块处理后提供。
优选地，所述的核心处理器与所述的IPM模块之间的控制信号和所述的开关量信号均经光耦隔离。
优选地，所述的阴极保护系统的参比电极经一隔离放大滤波器处理后送入所述的16位高精度AD转换器。
优选地，所述的模糊PID算法的电流内闭环中电流偏差的一路直接进入内环模糊控制算法模块和PID控制模块、另一路经微分运算后变为电流偏差的变化率之后进入所述的内环模糊控制算法模块，所述的电流偏差还有一路直接进入所述的PID控制模块，所述的内环模糊控制算法模块的输出进入所述的PID控制模块，所述的PID控制模块的输出直接作用于所述的IPM模块，最终输出恒电流。
优选地，所述的纯模糊算法的电位外闭环中电位偏差的一路直接进入外环模糊控制算法模块、另一路经微分运算后变为电位偏差的变化率之后进入外环模糊控制算法模块得到一送入所述的模糊PID算法的电流内闭环的电流信号，该电流信号经所述的模糊PID算法的电流内闭环后直接作用于所述的IPM模块，最终输出恒电流。
优选地，所述的模糊PID算法的电流内闭环和所述的纯模糊算法的电位外闭环的控制参数值均由模糊控制规则二维表查询。
本发明的有益效果在于：
1）、本发明采用IPM模块，其是IGBT、驱动电路、保护电路的合成模块，IPM模块自身压降低，损耗小，散热量低，可靠性也比依靠外电路保护的IGBT大幅提高，同时由于它的高集成度，可以大大缩减开发周期；
2）、工程实际外加电流阴极保护的极化过程是个慢反应过程，在控制系统中属于具有大延迟环节动态特性的对象，传统的PI或PID控制技术虽然性能优异，但在被控对象模型不精确的情况下，很难保证控制效果，甚至可能出现控制结果发散或震荡的情况，表现为电位不稳定、输出电流大幅震荡，甚至超出输出边界；模糊控制技术，具有一定的容忍性、学习性和自适应性，可以根据被控对象的实际动态和静态特性，利用规则二维表，自行调整控制参数，以达优异的控制效果；
3）、主电路采用并联电容、饱和电感及阻断电容来实现软开关，大大减小了功率模块的损耗和热耗，提高了整机效率，最高可达90%以上，延长了模块寿命，同时也缩小了设备的体积和重量；
4）、采用STM32系列的MCU作为核心处理器，实现了采样、信号处理、脉宽调节单片化作业，大幅提高了设备的运行速度，配合16位高精度AD转换器，使理论采样精度达到0.1mV，同时，STM32系列MCU的32位寻址能力，扩展了设备数据存储能力，并支持U盘或SD卡存储设备，数据存储容量最大可达2GB，即按每分钟采集一次数据，理论连续可采数据大于40年，支持热插拔，可随时导出数据，便于分析；
5）、将各主要功能模块独立封装，通过背板卡槽集成到一起，方便终端用户检修，一旦某部件出现故障，就像插拔U盘一样，直接换成另一备件，同时由于模块的独立封装也避免了强弱电和杂散信号之间的相互干扰；
6）、强化设备内部的对流传热，减小散热片体积，缩小了整机重量和尺寸。
附图说明
附图1为本发明的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪的结构原理示意框图；
附图2为本发明的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪的模糊双闭环控制算法的原理示意框图。
附图中：1、电流内闭环；2、电位外闭环。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：
如附图1所示，本发明的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪包括主电路和控制电路，主电路由输入整流电路、滤波电路、IPM模块、全桥整流电路及LC滤波电路依次电连通构成，控制电路以一STM32系列的MCU为核心处理器，核心处理器外连有供用户给定预设值的显示操作模块，阴极保护系统的参比电极和LC滤波电路的输出经一16位高精度AD转换器处理后得到一采样信号，核心处理器以采样信号与预设值的偏差作为控制信号、经过内部的模糊双闭环控制算法得到用于控制IPM模块的控制信号，IPM的输出信号经过全桥整流电路和LC滤波电路处理后送至阴极保护系统，当IPM模块发生故障时IPM模块能够向核心处理器发出表征IPM模块出现故障的开关量信号，模糊双闭环控制算法包括模糊PID算法的电流内闭环1和纯模糊算法的电位外闭环2，该恒电位仪具有恒电流工作模式和恒电位工作模式：当其处于恒电流工作模式时，用户给定核心处理器一个电流预设值，该电流预设值与采样信号之间的电流偏差作为控制信号经电流内闭环1的算法处理后作用于IPM模块，最终得到恒电流输出；当其处于恒电位工作模式时，用户给定核心处理器一个电位预设值，该电位预设值与由采样信号经电位变换系数得到的电位信号之间的电位偏差经电位外闭环2的算法处理后得到一个送入电流内闭环1的电流信号，经电流内闭环1的控制作用后输入至IPM模块，最终得到恒电流输出，全桥整流电路中还包括软开关电路、高频变压器和用于整流的快恢二极管，软开关电路通过并联电容、饱和电感及阻断电容来实现软开关，输入整流滤波电路附有滤波电容保护电路，核心处理器还外扩有用于与上位机通讯的通讯电路，核心处理器与IPM模块所需的低压直流电源均由工频交流输入经过多路隔离AC/DC变换模块处理后提供，核心处理器与IPM模块之间的控制信号和开关量信号均经光耦隔离，阴极保护系统的参比电极经一隔离放大滤波器处理后送入16位高精度AD转换器，如附图2所示，模糊PID算法的电流内闭环1中电流偏差的一路直接进入内环模糊控制算法模块和PID控制模块、另一路经微分运算后变为电流偏差的变化率之后进入内环模糊控制算法模块，电流偏差还有一路直接进入PID控制模块，内环模糊控制算法模块的输出进入PID控制模块，PID控制模块的输出直接作用于IPM模块，最终输出恒电流，纯模糊算法的电位外闭环2中电位偏差的一路直接进入外环模糊控制算法模块、另一路经微分运算后变为电位偏差的变化率之后进入外环模糊控制算法模块得到一送入模糊PID算法的电流内闭环1的电流信号，该电流信号经模糊PID算法的电流内闭环1后直接作用于IPM模块，最终输出恒电流，模糊PID算法的电流内闭环1和纯模糊算法的电位外闭环2的控制参数值均由模糊控制规则二维表查询。
具体地，本发明的主电路构成主要是工频交流输入经整流、滤波电路得到低纹波的直流电，输入滤波电路附有滤波电容保护电路，以保证通电的瞬间不会出现浪涌；整流滤波后的直流电输入到IPM模块，经IPM模块变换后得到高频方波。IPM模块的外围电路有通过并联电容、饱和电感、阻断电容以实现软开关功能的全桥整流电路，降低IPM的开关损耗。IPM变换后的高频方波再经高频变压器降压，快恢二极管整流，LC滤波电容滤波最终得到要输出的直流电流，控制电路主要由32位STM32作为核心处理器，工作时先通过16位的高速高精度AD采集将参比电极的电位信号、输出电流、输出电压信号由模拟量变为数字量反馈输入到STM32，这些输入信号需经隔离放大滤波；STM32将参比电极采样电位与用户设置的电位偏差作为控制信号，经模糊双闭环控制算法计算得出所需要的输出量，再根据计算结果调整PWM的脉宽，作为输出信号，经光耦隔离、自举变换，发送给IPM，对IPM进行控制，一旦IPM出现欠压、过温、短路等故障，IPM亦会自动发出开关量信号给STM32，以便用户进行故障处理，该信号同样需要进行光耦隔离；STM32同时负责与外界的通讯工作和对显示操作模块的响应处理，该智能恒电位仪的最终控制调节量是输出电流：在恒电位工作模式工作情况下，输出电流的改变会使参比电极的采样电位发生相应变化，在用户设定好预置参比电位后，这两者的差值作为控制系统的输入量；本发明中的双模糊闭环控制算法包含模糊PID算法的电流内闭环1和纯模糊的电位外闭环2：模糊PID电流内环可以在恒电流运行模式时独立作用，给定信号切换为用户设置的给定电流值，电流反馈信号与给定信号做差运算后的信号一路直接进入模块控制算法模块和PID控制模块、另一路则经过微分运算变为偏差的变化率信号，模糊控制算法经过模糊化、模糊推理、清晰化三个过程，实现模糊控制，其中模糊推理主要是根据模糊控制规则二维表查询得出PID控制器的P、I、D三个参数值，以使控制效果最优；模糊控制算法的核心是模糊规则二维表，表的横坐标和纵坐标分别为偏差和偏差变化率，表值为控制输出量。规则表与具体的设备输入输出要求有关，是控制系统的核心内容；PID控制器输出的信号直接作用于被控对象，即IPM模块，以改变设备的最终输出电流；在恒电位工作模式时，给定信号为用户设置的给定电位置，电流反馈信号经电位变换系数得到相应的电位反馈值，电位反馈值与给定电位电位的偏差和该偏差变化率进入外环模糊控制器，同样根据外环的模糊二维控制表查询得出该外环模糊控制器的输出量，来作为内环电流给定值，内外环控制同时作用，最终输出恒定电流至IPM模块。
本发明采用IPM模块，其是IGBT、驱动电路、保护电路的合成模块，IPM模块自身压降低，损耗小，散热量低，可靠性也比依靠外电路保护的IGBT大幅提高，同时由于它的高集成度，可以大大缩减开发周期；工程实际外加电流阴极保护的极化过程是个慢反应过程，在控制系统中属于具有大延迟环节动态特性的对象，传统的PI或PID控制技术虽然性能优异，但在被控对象模型不精确的情况下，很难保证控制效果，甚至可能出现控制结果发散或震荡的情况，表现为电位不稳定、输出电流大幅震荡，甚至超出输出边界；模糊控制技术，具有一定的容忍性、学习性和自适应性，可以根据被控对象的实际动态和静态特性，利用规则二维表，自行调整控制参数，以达优异的控制效果；主电路采用并联电容、饱和电感及阻断电容来实现软开关，大大减小了功率模块的损耗和热耗，提高了整机效率，最高可达90%以上，延长了模块寿命，同时也缩小了设备的体积和重量；采用STM32系列的MCU作为核心处理器，实现了采样、信号处理、脉宽调节单片化作业，大幅提高了设备的运行速度，配合16位高精度AD转换器，使理论采样精度达到0.1mV，同时，STM32系列MCU的32位寻址能力，扩展了设备数据存储能力，并支持U盘或SD卡存储设备，数据存储容量最大可达2GB，即按每分钟采集一次数据，理论连续可采数据大于40年，支持热插拔，可随时导出数据，便于分析；将各主要功能模块独立封装，通过背板卡槽集成到一起，方便终端用户检修，一旦某部件出现故障，就像插拔U盘一样，直接换成另一备件，同时由于模块的独立封装也避免了强弱电和杂散信号之间的相互干扰；强化设备内部的对流传热，减小散热片体积，缩小了整机重量和尺寸。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，为阴极保护系统提供纯净、可靠的电流，其特征在于：包括
主电路：由输入整流电路、滤波电路、IPM模块、全桥整流电路及LC滤波电路依次电连通构成，
控制电路：以一STM32系列的MCU为核心处理器，
所述的核心处理器外连有供用户给定预设值的显示操作模块，所述的阴极保护系统的参比电极和所述的LC滤波电路的输出经一16位高精度AD转换器处理后得到一采样信号，所述的核心处理器以所述的采样信号与所述的预设值的偏差作为控制信号、经过内部的模糊双闭环控制算法得到用于控制所述的IPM模块的控制信号，所述的IPM的输出信号经过所述的全桥整流电路和所述的LC滤波电路处理后送至所述的阴极保护系统，当所述的IPM模块发生故障时所述的IPM模块能够向所述的核心处理器发出表征所述的IPM模块出现故障的开关量信号，
所述的模糊双闭环控制算法包括模糊PID算法的电流内闭环和纯模糊算法的电位外闭环，
该恒电位仪具有恒电流工作模式和恒电位工作模式：当其处于恒电流工作模式时，用户给定所述的核心处理器一个电流预设值，该电流预设值与所述的采样信号之间的电流偏差作为控制信号经所述的电流内闭环的算法处理后作用于所述的IPM模块，最终得到恒电流输出；当其处于恒电位工作模式时，用户给定所述的核心处理器一个电位预设值，该电位预设值与由所述的采样信号得到的电位信号之间的电位偏差经所述的电位外闭环的算法处理后得到一个送入所述的电流内闭环的电流信号，经所述的电流内闭环的控制作用后输入至所述的IPM模块，最终得到恒电流输出。
2.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的全桥整流电路中还包括软开关电路、高频变压器和用于整流的快恢二极管，所述的软开关电路通过并联电容、饱和电感及阻断电容来实现软开关。
3.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的输入整流电路及所述的滤波电路附有滤波电容充电保护电路。
4.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的核心处理器还外扩有用于与上位机通讯的通讯电路。
5.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的核心处理器与所述的IPM模块所需的低压直流电源均由工频交流输入经过多路隔离AC/DC变换模块处理后提供。
6.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的核心处理器与所述的IPM模块之间的控制信号和所述的开关量信号均经光耦隔离。
7.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的阴极保护系统的参比电极经一隔离放大滤波器处理后送入所述的16位高精度AD转换器。
8.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的模糊PID算法的电流内闭环中电流偏差的一路直接进入内环模糊控制算法模块和PID控制模块、另一路经微分运算后变为电流偏差的变化率之后进入所述的内环模糊控制算法模块，所述的电流偏差还有一路直接进入所述的PID控制模块，所述的内环模糊控制算法模块的输出进入所述的PID控制模块，所述的PID控制模块的输出直接作用于所述的IPM模块，最终输出恒电流。
9.根据权利要求1所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的纯模糊算法的电位外闭环中电位偏差的一路直接进入外环模糊控制算法模块、另一路经微分运算后变为电位偏差的变化率之后进入外环模糊控制算法模块得到一送入所述的模糊PID算法的电流内闭环的电流信号，该电流信号经所述的模糊PID算法的电流内闭环后直接作用于所述的IPM模块，最终输出恒电流。
10.根据权利要求1或8或9所述的模糊双闭环控制的移相全桥软开关IPM型智能恒电位仪，其特征在于：所述的模糊PID算法的电流内闭环和所述的纯模糊算法的电位外闭环的控制参数值均由模糊控制规则二维表查询。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 215004 West Ring Road, Jiangsu, Suzhou, No. 1788 Applicant after: Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd. Applicant after: China General Nuclear Power Corporation Address before: 215004 West Ring Road, Jiangsu, Suzhou, No. 1788 Applicant before: Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd. Applicant before: China Guangdong Nuclear Power Group Co., Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20111214 |