CN114239460B - 一种功率放大器内控制器用的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率放大器内控制器用的设计方法，通过软件仿真代替了人工试验，不需要频繁对实体的控制器电路元器件进行更换，从而极大提高了控制器的设计效率，减少工人的劳动量，有效缩短了控制器的设计周期；另外，通过仿真软件能够监测出控制器模型在模拟仿真过程中，输出电流曲线的实时变化曲线，从而让工人能够更好的选择合适的控制器模型。

Description

一种功率放大器内控制器用的设计方法
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，尤其是涉及一种功率放大器内控制器用的设计方法。
背景技术
公知的，随着目前功率放大器控制技术的逐渐优化和完善，功率放大器的用途也更加广泛，其中功率放大器也能够被用作电源，主要用于驱动感性负载或需要较大安培力的设备；不过功率放大器在投入量产之前，需要针对具体的使用环境来设计功率放大器内各个结构部件的参数，由于功率放大器的内环控制器是用于控制功率放大器的输出电流曲线或者电压值，因此内环控制器的参数设计尤为关键，毕竟功率放大器若想可靠稳定地在各种复杂的环境中运行，功率放大器的输出电流曲线或者电压值必须精确达到指定数值；
传统的功率放大器中控制器的设计方法为：
1）首先根据经验制作出控制器样板；
2）对样板的环路参数进行调整，并且在每次调整环路参数后，利用示波器抓取样板中的电压或电流波形；
3）当示波器测出符合设计要求的电压或电流波形时，即采用拥有相应环路参数的样板作为控制器的板路；
但是该方法需要经过多次实验测算，消耗的人力和物力较大，并且还需要耗费大量的时间成本，延缓了产品开发的周期，从而影响本产品在市场上的竞争地位；
因此，综上所述，目前市场上需要一种能够缩短控制器设计周期，且减少人力物力的设计方法。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种功率放大器内控制器用的设计方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种功率放大器内控制器用的设计方法，
1）首先将功率放大器的内环控制器环路剔除，得到功率放大器的开环环路；
2）之后利用频率发生器产生一个初始交流信号，并将初始交流信号输入到开环环路中，得到功率放大器的开环频率响应数据；
3）将开环频率响应数据输入到Matlab系统的辨识工具中，进行传递函数模型估计，从而得到开环传递函数模型；
4）在Matlab/Simulink仿真软件中搭建一个初始内环控制器模型和功率放大器开环模型；
5）将初始内环控制器模型与功率放大器开环模型相结合，构成整机闭环模型；
6）将参考电流信号输入到Matlab/Simulink仿真软件中，对整机闭环模型进行仿真优化运行，得到功率放大器闭环仿真输出电流曲线；
7）将初始内环控制器模型与开环传递函数模型相结合，构成闭环函数模型；
8）将参考电流信号输入到Matlab/Simulink仿真软件中，对闭环函数模型进行仿真优化运行，得到传递函数模型闭环仿真输出电流曲线；
9）当功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线相重合时，停止软件仿真，此时闭环函数模型中的内环控制器模型参数即为控制器设计的具体参数；
10）根据步骤9）中得到的内环控制器模型参数做出控制器的物理电路，并安装在功率放大器的开环环路中进行实机验证。
优选的，所述初始交流信号为频率连续变化的交流小信号。
优选的，所述初始交流信号的频率变化范围为10Hz-3000Hz，最大幅值为30mV。
优选的，所述功率放大器闭环仿真输出电流曲线和传递函数模型闭环仿真输出电流曲线的计算步骤均为：
S1、将参考电流信号输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，并得到输出信号Ⅰ和输出电流曲线Ⅰ；
S2、仿真软件对输出信号和参考电流信号进行取差操作，得到修正信号Ⅰ，再将修正信号Ⅰ重新输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，得到输出信号Ⅱ和输出电流曲线Ⅱ；
S3、仿真软件对输出信号Ⅱ和参考电流信号进行取差操作，得到修正信号Ⅱ，再将修正信号Ⅱ重新输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，得到输出信号Ⅲ和输出电流曲线Ⅲ；
S4、适应性地重复进行上述步骤，直到根据整机闭环模型计算得出的输出电流曲线与根据闭环函数模型计算得出输出电流曲线相重合时，停止仿真运算。
优选的，所述功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线的重合率为90%-95%时，即可停止仿真运算。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明公开的一种功率放大器内控制器用的设计方法，通过软件仿真代替了人工试验，不需要频繁对实体的控制器电路元器件进行更换，从而极大提高了控制器的设计效率，减少工人的劳动量，有效缩短了控制器的设计周期；
另外，通过仿真软件能够监测出控制器模型在模拟仿真过程中，输出电流曲线的实时变化曲线，从而让工人能够更好的选择合适的控制器模型。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为第一种功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线仿真结果对比图；
图3为第二种功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线仿真结果对比图
图4为第三种功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线仿真结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行说明：
所述的一种功率放大器内控制器用的设计方法，
1）首先将功率放大器的内环控制器环路剔除，得到功率放大器的开环环路；
2）之后利用频率发生器产生一个初始交流信号，并将初始交流信号输入到开环环路中，得到功率放大器的开环频率响应数据，该数据代表在没有控制器调压的情况下，功率放大器输入数据和输出数据之间的对应关系，即一个个离散的点，另外，通过使用交流信号更有助于求解系统方程的解时快速收敛；
3）将开环频率响应数据输入到Matlab系统的辨识工具中，进行传递函数模型估计，从而得到开环传递函数模型，而开环传递函数模型即是将步骤2）中离散的点构成一个完整的曲线，另外，根据该开环传递函数模型，能够清楚看出功率放大器的开环幅频特性和相频特性，从而方便工作人员对数据进行分析；
4）在Matlab/Simulink仿真软件中搭建一个初始内环控制器模型和功率放大器开环模型，初始内环控制器模型的具体参数是工作人员通过经验得到的；
5）将初始内环控制器模型与功率放大器开环模型相结合，构成整机闭环模型，该模型作为一个参考模型；
6）将参考电流信号输入到Matlab/Simulink仿真软件中，对整机闭环模型进行仿真优化运行，得到功率放大器闭环仿真输出电流曲线；其中参考电流信号是根据负载的实际运行情况模拟出的电流信号，且该输出电流曲线是由整机闭环模型根据输入的参考电流信号，随时间变化而输出不同的电流值构成的曲线图；
7）将初始内环控制器模型与开环传递函数模型相结合，构成闭环函数模型，该模型为具体的功率放大器的动态模型；
8）将参考电流信号输入到Matlab/Simulink仿真软件中，对闭环函数模型进行仿真优化运行，得到传递函数模型闭环仿真输出电流曲线；其中参考电流信号是根据负载的实际运行情况模拟出的电流信号，且该输出电流曲线是由闭环函数模型根据输入的参考电流信号，随时间变化而输出不同的电流值构成的曲线图；
9）当功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线相重合时，说明此时的内环控制器模型在整机闭环模型和闭环函数模型中均能够稳定运行，故而停止软件仿真，将闭环函数模型中的内环控制器模型参数输出，该参数即为控制器设计的具体参数；
10）根据步骤9）中得到的内环控制器模型参数做出控制器的物理电路，并安装在功率放大器的开环环路中进行实机验证，从而确定仿真得到的内环控制器模型参数是否合适，如果合适则即可批量生产，如果不合适则重新进行仿真运算。
另外，在本方法中，功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线仿真结果对比的实施例为：
当步骤6）和步骤8）中输入的参考电流信号为恒定值1A时，功率放大器闭环仿真输出电流曲线和传递函数模型闭环仿真输出电流曲线为图2所示；
当步骤6）和步骤8）中输入的参考电流信号为频率50Hz，偏置3A，幅值3A的正弦电流时，功率放大器闭环仿真输出电流曲线和传递函数模型闭环仿真输出电流曲线为图3所示；
当步骤6）和步骤8）中输入的参考电流信号为频率100Hz，偏置6A,幅值3A的三角波电流时，功率放大器闭环仿真输出电流曲线和传递函数模型闭环仿真输出电流曲线为图4所示。
优选的，所述初始交流信号为频率连续变化的交流小信号，使用小幅值的交流信号，能够保证开环系统的实际输出变化小，从而提高测量结果的精确度。
优选的，所述初始交流信号的频率变化范围为10Hz-3000Hz，最大幅值为30mV；由于所要生产的功率放大器在工作情况下具有额定的频率变化范围，因此在实施本方法时，对初始交流信号中最大幅值的选择一般为，根据实际情况设置的输出电流有效值的2%~5%，这个幅值范围内得到的开环传递函数相对是最好的。
优选的，所述功率放大器闭环仿真输出电流曲线和传递函数模型闭环仿真输出电流曲线的计算步骤均为：
S1、将参考电流信号输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，并得到输出信号Ⅰ和输出电流曲线Ⅰ；
S2、仿真软件对输出信号和参考电流信号进行取差操作，得到修正信号Ⅰ，再将修正信号Ⅰ重新输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，得到输出信号Ⅱ和输出电流曲线Ⅱ；
S3、仿真软件对输出信号Ⅱ和参考电流信号进行取差操作，得到修正信号Ⅱ，再将修正信号Ⅱ重新输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，得到输出信号Ⅲ和输出电流曲线Ⅲ；
S4、适应性地重复进行上述步骤，直到根据整机闭环模型计算得出的输出电流曲线与根据闭环函数模型计算得出输出电流曲线相重合时，停止仿真运算。
优选的，所述功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线的重合率为90%-95%时，即可停止仿真运算。
本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种功率放大器内控制器用的设计方法，其特征是：
1）首先将功率放大器的内环控制器环路剔除，得到功率放大器的开环环路；
2）之后利用频率发生器产生一个初始交流信号，并将初始交流信号输入到开环环路中，得到功率放大器的开环频率响应数据；
3）将开环频率响应数据输入到Matlab系统的辨识工具中，进行传递函数模型估计，从而得到开环传递函数模型；
4）在Matlab/Simulink仿真软件中搭建初始内环控制器模型和功率放大器开环模型；
5）将初始内环控制器模型与功率放大器开环模型相结合，构成整机闭环模型；
6）将参考电流信号输入到Matlab/Simulink仿真软件中，对整机闭环模型进行仿真优化运行，得到功率放大器闭环仿真输出电流曲线；
7）将初始内环控制器模型与开环传递函数模型相结合，构成闭环函数模型；
8）将参考电流信号输入到Matlab/Simulink仿真软件中，对闭环函数模型进行仿真优化运行，得到传递函数模型闭环仿真输出电流曲线；
9）当功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线相接近时，停止软件仿真，此时闭环函数模型中的内环控制器模型参数即为控制器设计的具体参数；
10）根据步骤9）中得到的内环控制器模型参数做出控制器的物理电路，并安装在功率放大器的开环环路中进行实机验证。
2.如权利要求1所述的功率放大器内控制器用的设计方法，其特征是：所述初始交流信号为频率连续变化的交流小信号。
3.如权利要求2所述的功率放大器内控制器用的设计方法，其特征是：所述初始交流信号的频率变化范围为10Hz-3000Hz，最大幅值为30mV。
4.如权利要求1所述的功率放大器内控制器用的设计方法，其特征是：所述功率放大器闭环仿真输出电流曲线和传递函数模型闭环仿真输出电流曲线的计算步骤均为：
S1、将参考电流信号输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，并得到输出信号Ⅰ和输出电流曲线Ⅰ；
S2、仿真软件对输出信号和参考电流信号进行取差操作，得到修正信号Ⅰ，再将修正信号Ⅰ重新输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，得到输出信号Ⅱ和输出电流曲线Ⅱ；
S3、仿真软件对输出信号Ⅱ和参考电流信号进行取差操作，得到修正信号Ⅱ，再将修正信号Ⅱ重新输入到整机闭环模型或闭环函数模型中进行仿真运算，得到输出信号Ⅲ和输出电流曲线Ⅲ；
S4、适应性地重复进行上述步骤，直到根据整机闭环模型计算得出的输出电流曲线与根据闭环函数模型计算得出输出电流曲线相重合时，停止仿真运算。
5.如权利要求1所述的功率放大器内控制器用的设计方法，其特征是：所述功率放大器闭环仿真输出电流曲线与传递函数模型闭环仿真输出电流曲线的重合率为90%-95%时，即可停止仿真运算。
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