CN218240724U - 基于电流动态反馈的线性作动设备控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，由设备壳体、以及设置在设备壳体内的电源变换单元、信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元组成。本实用新型使用电流闭环控制，模拟量检测电路具有隔离检测技术，并采用差分方式采集，功率输出电路具有隔离驱动技术，满足作动设备控制器电流动态实时闭环和高线性度输出。本实用新型在不相同频率下，不同的电压下，不同负载特性下进行实际测试，响应快，跟随性好、失真度低，总体效果良好，完全满足原有的设计指标。
Description
技术领域
本实用新型涉及作动设备控制器技术领域，具体涉及一种基于电流动态反馈的线性作动设备控制器。
背景技术
作动设备控制器是实施振动主动控制的关键部件，是振动主动控制作动设备的重要环节。作动设备控制器根据输入信号控制作动设备动作，以对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。其中作动设备可以是作动器或激振器等用于进行震动试验和动力学试验的出力装置。
随着主动控制技术的发展，作动设备控制器的要求愈来愈高。近年来，伴随着微电子技术和电力电子发展的突飞猛进，其更新换代也愈来愈迅速，研究开发出了基于高频脉宽调制(SPWM)脉冲信号的控制类型作动设备控制器。目前基于高频脉宽调制脉冲信号的控制类型作动设备控制器一般都都采用的是电流均方根值控制策略。然而，利用电流均方根值控制策略进行闭环控制时，存在调节的速度较慢，不能适应负载特性快速变化的情况。如某频率条件下，输出为电压为正弦波，波形很好，但输出电流波形有很大的变形。相同频率下，不同的电压下，负载特性不一样，负载也是非线性的。因此对电流均方根值进行闭环控制，不能适应这一情况，导致失真度较大。针对这些情况，需研究对电流环控制策略进行改进设计，对电流动态实时响应输出。
实用新型内容
本实用新型所要解决的是现有基于电流均方根值控制的作动设备控制器无法实现对电流动态实时响应输出的问题，提供一种基于电流动态反馈的线性作动设备控制器。
为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，由设备壳体、以及设置在设备壳体内的电源变换单元、信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元组成；电源变换单元的供电输入端经由电源开关与外部工作电源连接，电源变换单元的供电输出端与信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元的工作电源输入端连接；功率输出单元的功率输出电源输入端与外部功率电源连接；信号调理单元的信号输入端与外部输入信号相连，信号调理单元的信号输出端与采样单元的电压采样输入端相连；采样单元的电流采样输入端与功率输出单元的电流反馈信号输出端相连；采样单元的采样输出端与DSP控制单元的AD模拟转换输入端相连；DSP控制单元的SPWM输出控制端与功率输出单元的输入控制端相连；功率输出单元的功率输出端与外部的作动设备相连。
作为改进，设备壳体内还设置有CAN总线单元；CAN总线单元的工作电源输入端与电源变换单元的供电输出端连接；CAN总线单元的对外总线接口与外部的总线网络相连，CAN总线单元的对内总线接口与DSP控制单元的CAN总线接口相连。
上述方案中，采样单元由2个采样电路组成，其中一个采样电路为电流采样电路，一个采样电路为电压采样电路。每个采样电路由运算放大器U11A、电容C116～122、以及电阻R70-77组成；电容C116的一端形成采样单元的电压采样电路的电压采样输入端或采样单元的电流采样电路的电流采样输入端的正极；电阻R74和电阻R75的一端相连后形成采样单元的电压采样电路的电压采样输入端或采样单元的电流采样电路的电流采样输入端的负极；电容C116和电阻R74的另一端连接电阻R71的一端相连；电阻R71的另一端连接电阻R72和电容C120的一端；电阻R75和电容C120的另一端连接电阻R76的一端；电阻R72的另一端连接运算放大器U11A的同相输入端；电阻R76的另一端连接运算放大器U11A的反相输入端；电阻R77和电容C122并联后，其一端连接运算放大器U11A的反相输入端，另一端连接运算放大器U11A的输出端；电阻R73的一端连接运算放大器U11A的输出端，电阻R73的另一端和电容C119的一端相连后形成采样单元的电压采样电路的采样输出端或采样单元的电流采样电路的采样输出端；电容C118和电阻R70的一端连接运算放大器U11A的同相输入端；电容C118和电阻R70的另一端与电容C117的一端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端+1.5V；电容C121的一端与运算放大器U11A的电源正极端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端+3.3V；电容C117、电容C119和电容C121的另一端与运算放大器U11A的电源负极端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端AGND。
上述方案中，功率输出单元由隔离DC/DC电路、4个隔离栅极驱动电路、以及4个场效应晶体管Q1～Q4组成；隔离DC/DC电路的输入端形成功率输出单元的工作电源输入端；隔离DC/DC电路的输出端连接4个隔离栅极驱动电路的电源端；第一隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMA1，第二隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMB1，第三隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMA2，第四隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMB2；第一隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q1的栅极连接，第二隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q3的栅极连接，第三隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q2的栅极连接，第四隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q4的栅极连接；场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q3的源极相连后形成功率输出单元的功率输出电源输入端正极；场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4的源极相连后形成功率输出单元的功率输出电源输入端负极；场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q2的漏极相连后形成功率输出单元的一个功率输出端；场效应晶体管Q3和场效应晶体管Q4的漏极相连后形成功率输出单元的另一个功率输出端。
与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
1、控制策略为电流动态快速闭环控制方式；
2、采用差分方式采集，模拟量检测电路具有隔离检测，提高采样准确度和精度；
3、功率输出电路具有隔离驱动技术；
4、满足作动设备控制器电流动态实时闭环和高线性度输出。
附图说明
图1为基于电流动态反馈的线性作动设备控制器的原理框图。
图2为采样单元的原理框图。
图3为功率输出单元的原理框图。
图4为PID控制原理图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本实用新型进一步详细说明。
参见图1，一种基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，由设备壳体、以及设置在设备壳体内的电源变换单元、CAN总线单元、信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元组成。电源变换单元的供电输入端经由电源开关与外部工作电源连接，电源变换单元的供电输出端与CAN总线单元、信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元的工作电源输入端连接。功率输出单元的功率输出电源输入端与外部功率电源连接。CAN总线单元的对外总线接口与外部的总线网络相连，CAN总线单元的对内总线接口与DSP控制单元的CAN总线接口相连。信号调理单元的信号输入端与外部输入信号相连，信号调理单元的信号输出端与采样单元的电压采样输入端相连。采样单元的电流采样输入端与功率输出单元的电流反馈信号输出端相连。采样单元的采样输出端与DSP控制单元的AD模拟转换输入端相连。DSP控制单元的SPWM输出控制端与功率输出单元的输入控制端相连。功率输出单元的功率输出端与外部的作动设备相连。
DSP控制单元主要由DSP芯片和其外围电路组成。DSP控制单元作为控制核心，主要功能是实现输入信号采集、输出电流监控、SPWM信号生产、电流闭环控制、以及CAN总线通信。选用TMS320F28335作为DSP控制单元的核心处理器来进行控制算法的运算，此数字信号处理器(Digital Signal ProceSor)是TI推出的32位浮点数字信号处理器，主频150MHz，完全满足控制性实时高的要求。
工作电源输出DC28V进行供电，电源变换单元是从工作电源取电，电压经EMI滤波器后转换为DC5V、DC3.3V和DC1.5V，用于为线性作动设备控制器的设备壳体的各个单元供电。CAN总线单元主要实现对外通信，采用CAN2.0的29位扩展帧，采用数据帧通信，通信速率为500kbps，接收上位机总线控制或查询指令后，并解析执行指令，并回复上位机。信号调理单元对各类型的输入信号进行调理转换为标准信号供给DSP控制单元。
采样单元由2个采样电路组成。一个采样电路为电压采样电路，用于对信号调理单元的电压进行采样。电压采样电路核心器件采用金升阳TE6650AN型电压采样模块，其主要技术指标如下：两端隔离(信号输入侧与输出侧隔离)，高精度等级(0.1％ FS)，高线性度(0.1％ FS)，隔离电压(2kVAC/60s)，低纹波噪声：≤35mVpp(20MHz)。另一个采样电路为电流采样电路，用于对功率输出单元的电流进行采样。电流采样电路核心器件采用安华高科的ACS720系列电流传感器，其主要技术指标如下：测量范围：±15A。线性度：0.75％，内阻：1mΩ。带宽：120khz，测量范围满足最大±15A的测量范围，线性度：0.75％，满足功放模块线性度5％的控制要求，带宽120khz可满足功放500hz的测量要求。
每个采样电路由运算放大器U11A、电容C116～122、以及电阻R70-77组成，如图2所示。电容C116的一端形成采样单元的电压采样电路的电压采样输入端或采样单元的电流采样电路的电流采样输入端的正极。电阻R74和电阻R75的一端相连后形成采样单元的电压采样电路的电压采样输入端或采样单元的电流采样电路的电流采样输入端的负极。电容C116和电阻R74的另一端连接电阻R71的一端相连。电阻R71的另一端连接电阻R72和电容C120的一端。电阻R75和电容C120的另一端连接电阻R76的一端。电阻R72的另一端连接运算放大器U11A的同相输入端。电阻R76的另一端连接运算放大器U11A的反相输入端。电阻R77和电容C122并联后，其一端连接运算放大器U11A的反相输入端，另一端连接运算放大器U11A的输出端。电阻R73的一端连接运算放大器U11A的输出端，电阻R73的另一端和电容C119的一端相连后形成采样单元的电压采样电路的采样输出端或采样单元的电流采样电路的采样输出端。电容C118和电阻R70的一端连接运算放大器U11A的同相输入端。电容C118和电阻R70的另一端与电容C117的一端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端+1.5V。电容C121的一端与运算放大器U11A的电源正极端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端+3.3V。电容C117、电容C119和电容C121的另一端与运算放大器U11A的电源负极端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端AGND。
采样单元采用差分+隔离方式采集被控电流，来提高采样准确度和精准度。在高频作动设备控制作动设备中，共噪声干扰一般较大。差分输入比单端输入多了一根线，最终的ADC采样值＝(ADCIN电压)-(ADCIN-电压)，由于通常这两根差分线会布在一起，所以他们受到的干扰是差不多的，输入共模干扰，在输入ADC时会被减掉，从而降低了干扰，缺点就是接线复杂一些。在差分的基础上同时采增加隔离采样技术，进一步提升精准度和安全性。
功率输出单元由隔离DC/DC电路、4个隔离栅极驱动电路、以及4个场效应晶体管Q1～Q4组成，如图3所示。隔离DC/DC电路的输入端形成功率输出单元的工作电源输入端。隔离DC/DC电路的输出端连接4个隔离栅极驱动电路的电源端。第一隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMA1，第二隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMB1，第三隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMA2，第四隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMB2。第一隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q1的栅极连接，第二隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q3的栅极连接，第三隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q2的栅极连接，第四隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q4的栅极连接。场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q3的源极相连后形成功率输出单元的功率输出电源输入端正极。场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4的源极相连后形成功率输出单元的功率输出电源输入端负极。场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q2的漏极相连后形成功率输出单元的一个功率输出端。场效应晶体管Q3和场效应晶体管Q4的漏极相连后形成功率输出单元的另一个功率输出端。为了实现功率输出电路的隔离驱动，功率输出单元设有2个电源输入端，即工作电源输入端和功率电源输入端，其中工作电源输入端与功率输出单元的输入侧连接，功率电源输入端与功率输出单元的输出侧连接。
功率输出单元是从功率电源取电，通过H桥电路功率输出。功率输出单元的主要功能是将DSP产生的SPWM信号经隔离驱动电路后驱动H桥电路进行信号放大并经滤波电路滤波后得到正弦信号。H桥电路上串联了保险丝，当H桥发生直通故障时，保险丝熔断，断开当前通道，实现当通道出现故障时，不影响别的通道正常工作。
上述控制器所实现的一种基于电流动态反馈的线性作动设备控制器的工作过程如下：信号调理单元对输入电压信号进行调理。采样单元对信号调理单元调理后的输入电压信号进行采样，得到输入电压采样信号后送入DSP控制单元。同时，采样单元对功率输出单元的输出电流信号进行采样，得到输出电流采样信号后送入DSP控制单元。DSP控制单元对采样单元输出的电压采样信号进行计算处理，得到输入的电压信号的电压Vref和频率fref，并将其送入PID控制算法作为输入参考。同时，DSP控制单元对采样单元输出的电流采样信号进行计算处理，得到反馈的电流信号的电流Ifbk，并将其送入PID控制算法作为反馈参考。DSP控制单元对输入参考和反馈参考进行PID控制，，如图4所示，得到电压输出控制中间量Vout，并将Vout转化为SPWM控制信号送入功率输出单元。功率输出单元对DSP控制单元的SPWM控制信号进行隔离并功率放大，转换成大功率电流信号去驱动作动设备工作。
输入电压信号通过信号调理单元后，经由采样单元采样后送入DSP控制单元，DSP控制单元根据输入波形生成SPWM信号，SPWM信号经过功率输出单元后转换为被驱动作动设备的工作电流信号，然后采样电路采集通过功率输出单元采集输出电流信号，完成工作电流的闭环控制及实现各项保护功能。本实用新型的输入为电压信号Ui，输出为电流信号Io，电流信号根据输入电压进行线性变化，其表达式为Io＝K*Ui。考虑到作动设备即负载为感性负载，其特性为非线性性，不同频率下，其阻抗特性不一样，因此采用电流环进行闭环控制。采样单元实时采样输入电压与输出电流，当输出电流值Io小于预期电流K*Ui时，DSP控制单元增大调制的SPWM信号脉宽。当输出电流值Io大于预期电流K*Ui时，DSP控制单元减小调制SPWM信号脉宽。当输出电流值Io等于预期电流K*Ui时，DSP控制单元不改变调制的SPWM信号脉宽。常规的作动设备控制器一般采用开环或电压闭环控制，因为电流闭环控制要求控制实时性强、电流采样、调参复杂精准度高等，总体实现的技术难度较大，所以鲜有采用这样的控制策略。本实用新型就迎难而上采用的是电流闭环PID控制策略，控制周期0.1ms。DSP控制单元所实现的PID控制是按偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器，输入为给定的电压信号幅值Ui，输出为实际电感电流即被控电流Io，结合PID调节形成电流闭环控制。当输出电流值Io小于预期电流K*Ui时，DSP控制单元增大调制的SPWM信号脉宽。当输出电流值Io大于预期电流K*Ui时，DSP控制单元减小调制SPWM信号脉宽。当输出电流值Io等于预期电流K*Ui时，DSP控制单元不改变调制的SPWM信号脉宽。
本实用新型使用电流闭环控制策略，提高了控制的实时性和动态响应能力，经在不相同频率下，不同的电压下，不同负载特性下进行实际测试，响应快，跟随性好、失真度低，总体效果良好，完全满足原有的设计指标。
需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。
Claims (4)
1.基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，其特征是，由设备壳体、以及设置在设备壳体内的电源变换单元、信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元组成；
电源变换单元的供电输入端经由电源开关与外部工作电源连接，电源变换单元的供电输出端与信号调理单元、DSP控制单元、采样单元和功率输出单元的工作电源输入端连接；功率输出单元的功率输出电源输入端与外部功率电源连接；
信号调理单元的信号输入端与外部输入信号相连，信号调理单元的信号输出端与采样单元的电压采样输入端相连；采样单元的电流采样输入端与功率输出单元的电流反馈信号输出端相连；采样单元的采样输出端与DSP控制单元的AD模拟转换输入端相连；DSP控制单元的SPWM输出控制端与功率输出单元的输入控制端相连；功率输出单元的功率输出端与外部的作动设备相连。
2.根据权利要求1所述的基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，其特征是，设备壳体内还设置有CAN总线单元；CAN总线单元的工作电源输入端与电源变换单元的供电输出端连接；CAN总线单元的对外总线接口与外部的总线网络相连，CAN总线单元的对内总线接口与DSP控制单元的CAN总线接口相连。
3.根据权利要求1所述的基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，其特征是，采样单元由2个采样电路组成，其中一个采样电路为电流采样电路，一个采样电路为电压采样电路；每个采样电路由运算放大器U11A、电容C116～122、以及电阻R70-77组成；
电容C116的一端形成采样单元的电压采样电路的电压采样输入端或采样单元的电流采样电路的电流采样输入端的正极；电阻R74和电阻R75的一端相连后形成采样单元的电压采样电路的电压采样输入端或采样单元的电流采样电路的电流采样输入端的负极；电容C116和电阻R74的另一端连接电阻R71的一端相连；电阻R71的另一端连接电阻R72和电容C120的一端；电阻R75和电容C120的另一端连接电阻R76的一端；电阻R72的另一端连接运算放大器U11A的同相输入端；电阻R76的另一端连接运算放大器U11A的反相输入端；电阻R77和电容C122并联后，其一端连接运算放大器U11A的反相输入端，另一端连接运算放大器U11A的输出端；电阻R73的一端连接运算放大器U11A的输出端，电阻R73的另一端和电容C119的一端相连后形成采样单元的电压采样电路的采样输出端或采样单元的电流采样电路的采样输出端；电容C118和电阻R70的一端连接运算放大器U11A的同相输入端；电容C118和电阻R70的另一端与电容C117的一端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端+1.5V；电容C121的一端与运算放大器U11A的电源正极端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端+3.3V；电容C117、电容C119和电容C121的另一端与运算放大器U11A的电源负极端相连后形成采样单元的电压采样电路或电流采样电路的工作电源输入端AGND。
4.根据权利要求1所述的基于电流动态反馈的线性作动设备控制器，其特征是，功率输出单元由隔离DC/DC电路、4个隔离栅极驱动电路、以及4个场效应晶体管Q1～Q4组成；
隔离DC/DC电路的输入端形成功率输出单元的工作电源输入端；隔离DC/DC电路的输出端连接4个隔离栅极驱动电路的电源端；第一隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMA1，第二隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMB1，第三隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMA2，第四隔离栅极驱动电路的栅极形成功率输出单元的输入控制端SPWMB2；第一隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q1的栅极连接，第二隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q3的栅极连接，第三隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q2的栅极连接，第四隔离栅极驱动电路的输出端与场效应晶体管Q4的栅极连接；场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q3的源极相连后形成功率输出单元的功率输出电源输入端正极；场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4的源极相连后形成功率输出单元的功率输出电源输入端负极；场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q2的漏极相连后形成功率输出单元的一个功率输出端；场效应晶体管Q3和场效应晶体管Q4的漏极相连后形成功率输出单元的另一个功率输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Linear actuator controller based on current dynamic feedback Effective date of registration: 20231031 Granted publication date: 20230106 Pledgee: Guangxi Guangdan Gongchuang Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Guilin Xingyun Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023450000135 |