一种交流耐压高压输出双环控制系统的制作方法

1.本实用新型属于安规测试技术领域，具体涉及一种交流耐压高压输出双环控制系统。


背景技术：

2.安规测试项目中交流耐压需要高压输出，如输出交流电压0~5kv。常规做法是主拓扑采用单相全桥逆变器 升压器输出，控制部分采用电压有效值单环控制，具体实现方法描述如下：反馈从升压器输出的高压端采样，将输出电压信号采样数据输入单片机，在单片机内部与期望的设定电压做软件的数字pi控制，然后调节单片机输出的数字spwm波去控制单相全桥逆变器的占空比，实现高压输出电压的稳定控制。
3.传统的交流耐压高压输出采用的是电压有效值单环控制，根据输出电压的有效值做反馈，实现输出电压的稳定调节输出。但是，当负载为容性负载时，传统的电压有效值单环控制依然可以对输出电压的有效值进行控制，不过此时在容性负载的影响下，输出电压本来的正弦波波形（波形因数正常在1.3~1.5之间）会发生畸变，虽然输出电压的有效值被控制在期望值上，但是输出电压的峰值会超过正常的正弦波波形的峰值，此种情况下会发生输出电压的峰值超过被测物的耐压值，有可能损坏被测物。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种交流耐压高压输出双环控制系统，在安规测试的交流耐压测试系统中不仅对输出电压的有效值进行反馈控制，同时还对输出电压的波形进行反馈控制。
5.本实用新型所采用的技术方案如下：
6.一种交流耐压高压输出双环控制系统，包括：依次电性连接的单相全桥整流器、单相全桥逆变器和升压器，升压器的高压侧依次电性连接电压有效值隔离采样电路和单片机，在单相全桥逆变器的输出端和升压器的初级侧之间电性连接电压瞬时值采样电路；所述的电压瞬时值采样电路依次电性连接全状态反馈的微分先行的pid控制电路、spwm产生电路和隔离驱动电路，隔离驱动电路的输出端电性连接单相全桥逆变器，三角波发生器的输出端电性连接spwm产生电路，单片机的输出端电性连接全状态反馈的微分先行的pid控制电路。电压瞬时值采样电路和全状态反馈的微分先行的pid控制电路构成电压瞬时值控制内环，电压有效值隔离采样电路和单片机以及全状态反馈的微分先行的pid控制电路构成电压有效值控制外环。电压瞬时值控制内环和电压有效值控制外环构成了双环控制系统，电压瞬时值采样电路从升压器的初级侧采样，电压有效值隔离采样电路从升压器的高压侧采样。
7.优选的，所述的电压瞬时值采样电路包括：电压互感器t1、运算放大器u1和u2，以及外围电阻、电容和二极管。运算放大器u1的正输入端分别接电阻r1、电容c1和电阻r3，运算放大器u1的负输入端分别接电阻r2、电容c2和电阻r4，运算放大器u1的输出端分别接电
容c3、电容c2和电阻r4，电阻r1和电阻r2分别接电压互感器t1，电容c1和电阻r3接地。电容c3分别接电容c4和电阻r6，电容c4接电阻r5，电阻r5和电阻r6分别接二极管d1的负极和二极管d2的正级，二极管d1的正极和二极管d2的负级接地。运算放大器u2的正输入端分别接二极管d1的正极和二极管d2的负级，运算放大器u2的负输入端分别接二极管d1的负极和二极管d2的正级以及电阻r7和电容c5，电阻r7和电容c5分别接运算放大器u2的输出端。
8.本实用新型的有益效果：
9.本实用新型采用电压有效值外环和电压瞬时值内环的双环控制技术，电压有效值外环可以控制输出电压的有效值符合设定的期望值，电压瞬时值内环可以控制输出电压的波形正弦化，波峰因数满足在1.3~1.5之间。
10.为了加快系统的动态响应速度，控制部分采用全状态反馈的微分先行的pid控制技术，使得系统能快速跟踪负载的突变。本实用新型可有效解决安规测试中交流耐压测试容性负载时输出电压波形畸变的问题。
附图说明
11.为了更清楚地说明本实用新型的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本技术保护范围之内的附图。
12.图1是本实用新型实施例的双环控制系统的架构示意图；
13.图2是本实用新型实施例的电压瞬时值采样电路的结构示意图；
14.图3是本实用新型实施例的双环控制系统的电路结构示意图。
具体实施方式
15.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
16.如图1所示，是本实用新型实施例的双环控制系统的架构示意图，包括：单相全桥整流器、单相全桥逆变器、升压器、电压有效值隔离采样电路、单片机、电压瞬时值采样电路、全状态反馈的微分先行的pid控制电路、spwm产生电路和隔离驱动电路以及三角波发生器。一种交流耐压高压输出双环控制系统，包括：依次电性连接的单相全桥整流器、单相全桥逆变器和升压器，升压器的高压侧依次电性连接电压有效值隔离采样电路和单片机，在单相全桥逆变器的输出端和升压器的初级侧之间电性连接电压瞬时值采样电路；所述的电压瞬时值采样电路依次电性连接全状态反馈的微分先行的pid控制电路、spwm产生电路和隔离驱动电路，隔离驱动电路的输出端电性连接单相全桥逆变器，三角波发生器的输出端电性连接spwm产生电路，单片机的输出端电性连接全状态反馈的微分先行的pid控制电路。
17.如图2所示，是本实用新型实施例的电压瞬时值采样电路的结构示意图。电压瞬时值采样电路，包括：电压互感器t1、运算放大器u1和u2，以及外围电阻、电容和二极管。运算放大器u1的正输入端分别接电阻r1、电容c1和电阻r3，运算放大器u1的负输入端分别接电阻r2、电容c2和电阻r4，运算放大器u1的输出端分别接电容c3、电容c2和电阻r4，电阻r1和
电阻r2分别接电压互感器t1，电容c1和电阻r3接地。电容c3分别接电容c4和电阻r6，电容c4接电阻r5，电阻r5和电阻r6分别接二极管d1的负极和二极管d2的正级，二极管d1的正极和二极管d2的负级接地。运算放大器u2的正输入端分别接二极管d1的正极和二极管d2的负级，运算放大器u2的负输入端分别接二极管d1的负极和二极管d2的正级以及电阻r7和电容c5，电阻r7和电容c5分别接运算放大器u2的输出端。
18.电压互感器t1采样输出电压的瞬时值，再经过运算放大器u1进行差分采样后，进入运算放大器u2与电压基准值进行全状态反馈的微分先行pid控制技术调节控制。图2中，电压互感器t1对单相全桥逆变器的输出电压瞬时值进行采样，电阻r1、r2、r3、r4与运算放大器u1组成差分运算放大电路，一般选取r1=r2，r3=r4。在此基础上加上c1和c2，可以滤除高频分量。电容c3滤除直流分量。电阻r5、r6、r7，电容c4、c5，和运算放大器u2共同构成微分先行的pid控制器。二极管d1、d2起到对运放输入端的钳位保护作用。
19.如图3所示，是本实用新型实施例的双环控制系统的电路结构示意图。双环控制系统的电路结构包含电压瞬时值内环和电压有效值外环两个环路。具体实现关系如下描述：电压有效值外环是对输出的交流耐压（高压）进行采样，取输出电压的有效值作为反馈值，采样进入单片机（stm32f407），在单片机内部与给定值比较，做pi（比例-积分）控制。
20.当交流耐压输出端带容性负载时，由于容性负载的压电效应，会导致输出波形发生畸变。为了解决交流耐压带容性负载输出电压波形发生畸变的问题，在电源有效值环路的基础上加入电压瞬时值内环进行调节输出电压的波形质量。本实用新型设计的初衷是解决交流耐压测容性负载输出电压波形畸变的问题，在电压有效值控制环路的基础上增加了瞬时值控制内环。结合图2和图3可以看到，电压有效值控制外环的输出，在运算放大器u2处，作为电压瞬时值控制内环的给定，这样图2的电压瞬时值控制内环作为反馈在运算放大器u2处，通过u2做全状态反馈的微分先行的pid控制，u2的输出再与三角波斩波输出spwm，去控制单相全桥逆变器的输出。
21.具体实现原理描述如下：
22.当交流耐压输出高压带容性负载时，输出电压的波形会发生畸变，此时输出电压的有效值由于有电压有效值控制外环作用，输出电压的波形虽然发生畸变，但是有效值能达到给定值（输出电压有效值采样与给定值进行pi作用的结果）。单片机将调节好的电压有效值与标准的正弦波做乘法处理（ad5424及外围电路），便得到期望的电压有效值的标准波形，将此波形作为基准。加入电压瞬时值控制内环，采样功放输出的电压瞬时值作为反馈，将此电压瞬时值反馈至运算放大器u2，与之前的电压有效值的标准波形做比较，进行全状态反馈的微分先行的pid控制，这样可以实现逐开关周期的与标准波形进行spwm斩波控制，实时调节输出电压波形。运算放大器u2的输出将与三角波进行斩波输出spwm信号，去驱动控制单相全桥逆变器的mos管。这样可以通过电压有效值控制外环调节输出电压的有效值达到设定值，通过电压瞬时值控制内环调节输出电压的波形达到标准的正弦波形。故通过电压有效值控制外环和电压瞬时值控制内环双环作用便可解决输出电压波形畸变的问题，即可解决交流耐压带容性负载输出电压波形畸变问题。
23.本实用新型要解决安规测试项目中交流耐压这类有源仪表在测试容性负载时激励源的输出电压正弦波畸变，输出不稳定的复杂设计问题。本实用新型针对传统控制系统所存在的技术缺点，为了实现输出电压稳定并且输出波形正弦的目标，采用输出电压有效
值外环 输出电压瞬时值内环的控制系统。
24.本实用新型中，电压有效值控制外环：输出电压有效值依然采用从从升压器的高压侧采样。电压瞬时值控制内环：瞬时值从升压器的初级侧采样。控制部分：采用全状态反馈的微分先行的pid控制技术。
25.本实用新型的关键技术点：
26.①
本实用新型设计了一种输出电压瞬时值采样电路结构，在现有技术中加入电压瞬时值采样，构成了输出电压有效值控制外环 输出电压瞬时值控制内环的控制系统。电压有效值控制外环和电压瞬时值控制内环的控制系统在单相全桥逆变器 升压器拓扑下的应用，解决交流耐压带容性负载时输出电压波形畸变问题。
27.②
全状态反馈的微分先行的pid控制技术在该拓扑下的应用，使得系统的动态性能良好。
28.本实用新型实施例中，输出电压所涉及的其它调节与控制方法，均为本领域的常规技术，未详细描述的技术特征均为现有技术或者常规技术手段，在此不再赘述。
29.最后需要说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。