基于单片机的变论域模糊PI车载供电系统设计_张勇.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：，（，）：，：；：；：基于单片机的变论域模糊 车载供电系统设计张 勇，宁 武，孟丽囡，庞恒立，甄禹彤（辽宁工业大学电子与信息工程学院，辽宁 锦州）摘 要：针对现有车载供电系统效率低和常规 控制策略超调量大、响应时间长、抗干扰性能差等问题，提出了基于单片机的变论域模糊 供电系统。该系统可以输入低压直流电，经 升压电路、电路变换，输出交流电压为小型用电器供电，并采用变论域模糊控制策略，根据误差大小对 参数进行实时在线调整，从而满足最优的性能要求。实验结果表明，该系统效率高、响应速度快、电流波动小、电压稳定性高，具有较强的鲁棒性，证实所提出的方法可行。关键词：效率；变论域；模糊控制策略；误差；在线调整；稳定性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着社会的发展，汽车越来越多地进入家庭，与人们的生活逐渐联系到了一起。然而，汽车只有电压较低的直流电，在旅行、出差工作等情况下，常用小电器不能直接在车上使用，限制了人们的需求。在控制策略中，常规 具有快速动态响应能力、可以较为有效地消除稳态误差，然而输出电压和电流的超调量较高，鲁棒性差和无法随着负载变化而调整参数。提出了基于单片机的变论域模糊 车载供电系统，采用锂电池作为整个系统的储能系统，采用 升压电路和 电路的拓扑结构，以 单片机作为主控制器，在常规 基础上采用变论域模糊 控制的电流环和电压环控制方式，以 液晶屏幕显示。实验结果表明系统提高了工作效率，响应速度快，输出电流和电压的稳定性高，满足了设计的要求。整体设计方案该变论域模糊 车载供电系统主要由锂电池、升压电路、单片机主控制电路、电路、显示模块电路、采样电路和负载等七部分组成。系统工作时，由 输出 信号实现对推挽电路的控制，得到平滑的高压直流电。单片机输出 信号驱动，实现控制全桥逆变电路的功能，完成 变换，为负载供电，输出电流和电压可通过 液晶屏实时显示。采样电路对系统的输出电流值和电压值进行采样，单片机将采样值与程序设定的最优值进行比较，通过变论域模糊 算法控制计算，由单片机实时调控 信号，保证电流和电压稳定输出。总体设计方案框图如图 所示。电 子 器 件第 卷图 系统总体框图 硬件电路设计 单片机主控制电路如图 所示，单片机主控制电路为系统的核心部分，由主控 芯片、时钟电路和复位电路组成。主控 芯片拥有 的 和 的，以及 口、定时器和计数器等多个功能部件，通过内部的总线和逻辑算法，完成 信号的产生、常规 控制以及变论域模糊 控制。上电时，复位电路形成一个 充电回路，引脚将电平拉到低等级，使电路恢复到确定的状态，复位完成后，返回到高等级，进入正常工作状态。外部 振荡器和滤波电容构成时钟电路，连接到单片机以提供高频脉冲，经过分频处理后，高频脉冲成为内部时钟信号，协调片内各部件工作。图 单片机主控制电路图 升压电路图 升压电路如图 所示，升压电路由驱动电路、推挽电路和整流滤波电路组成，起到稳压的作用。驱动电路采用以 为核心的电路，输出的两路 信号实现控制推挽电路功能。推挽电路采用两个以推挽方式存在的功率，分别完成正负半周的正弦波放大任务。经推动变压器变压、全桥整流和电容滤波后，得到高压直流电。图 电路图 电路如图 所示，电路由驱动电路、全桥逆变电路和滤波电路共同组成。驱动电路采用两路以第 期张 勇，宁 武等：基于单片机的变论域模糊 车载供电系统设计 芯片为核心的电路，搭配电阻、电容等外围器件，实现对全桥逆变电路驱动。全桥逆变电路在输入的正半个周期时，、截止，使、导通，则负载得到正半个 波形。在负半个周期时，、截止，使、导通，则在负载上得到负半个波形的 波形。在整个周期内，正负半个 波形相互叠加，滤波电路滤除谐波成分，负载上得到完整的正弦波交流电。电压采样电路在图 所示电路中，为放大器输入电阻，与，构成放大比例系数，电容，主要作用为滤波，接地电容，主要用于抗干扰和电位隔离，钳位二极管、主要用于保护放大器电路的工作安全，防止 电压放大器被烧毁。整个电路通过差动放大电路对输出电压进行采样，经单片机控制以实现检测的功能值，并在 液晶屏幕显示。图 电压采样电路图图 系统主程序流程图 系统软件设计软件的主函数流程如图 所示。系统上电初始化，单片机产生 信号，设定一个占空比后输出，采样电路测得的输出电流电压值与单片机预先设定的基准电流电压值进行比较，模糊控制器根据误差值和误差变化值进行 参数调节，单片机依据调节后的参数值设置 的占空比，输出合适的控制信号，进而控制开关管的工作状态，调节并稳定输出电流电压值，最后通过 实时显示。变论域模糊 控制策略设计 常规 控制策略为了快速跟踪电流参考值，设置全桥逆变电路的电流内环 控制器为典型型系统，其控制框图如图 所示。图 电流控制环框图图 中 是采样延时周期，、是比例和积分系数，是小惯性环节周期。若不考虑网压 扰动影响，令，将小惯性环节合并后得到电流内环的开环传递函数为：（）（）（）设 ，则可得到：（）（）（）根据典型型系统参数设计的原则，取阻尼比，可知：（）故电流内环 控制器的参数为：|（）为了维持直流母线电压的稳定，增强系统的抗干扰性，将全桥逆变电路的电压外环 控制器设置成典型型系统，其结构框图如图 所示。图 电压控制环框图其中，、是 电压外环 控制器的比例及超前时间系数，是电压采样时间与等效电流时间之和，通过图 能够得到电压外环的开环传递函数为：（）（）（）（）电 子 器 件第 卷设，则可得到：（）（）（）（）根据典型型系统参数之间的关系，取值为，则电压外环 控制器的参数为：|（）通过选取合适参数，确定常规 控制策略电流内环和电压外环的初始值 和。模糊 控制策略在常规 控制策略的基础上，设计了模糊 控制器如图 所示。图 模糊 控制器 将测量值与理想值经数据处理得到的误差值 和误差变化值 作为控制器的输入变量，采用“”推理方法将 和 模糊化，在分析 控制器参数对系统动态响应和稳态精度影响的基础上，建立误差 和误差变化值 对 参数的改变量 和 的模糊规则表，其中、均采用相同的模糊子集，如图表 所示。表 模糊规则 因为各模糊子集的隶属函数选取三角型隶属度函数，所以采用重心法进行解模糊，比例系数 解模糊后的控制量为：（）（）（）一个采样周期后，调整的参数 为：（）式中：控制器的初始值为，为比例因子。积分系数 解模糊后的控制量为：（）（）（）一个采样周期后，调整的参数 为：（）式中：控制器的初始值为，为比例因子。单片机根据模糊后的 和 与解模糊后的 控制器中、的对应关系调节 参数，最后单片机根据调节后的参数值设置 占空比，进而更好地稳定输出电压和输出电流。图 变论域模糊 控制器 变论域模糊 控制策略在模糊控制规则不变时，变论域思想是变量的模糊论域在初始范围的基础上，根据误差及误差变化率的变化进行相应的伸缩变化。变论域模糊 控制利用变论域思想与模糊 控制算法相结合，通过变论域改善模糊 的参数调整精度和范围，从而解决模糊 控制在线调整能力不足的问题。如图 所示，变论域模糊 控制器利用伸缩因子改变输入输出论域，将变论域的思想引入模糊控制的论域中，从而实现对模糊 参数的在线调整。从图 可以看出，变论域模糊 控制器是在模糊 控制器的基础上增加伸缩因子环节，伸缩因第 期张 勇，宁 武等：基于单片机的变论域模糊 车载供电系统设计 子环节是根据误差 和误差变化率 的变化来改变输入输出论域的伸缩因子、和，其和模糊 控制器组成论域调整模块，从而实现在线调节初始论域，最大限度地使用普通的模糊规则。在模糊 控制器，设（）为输入 和 的初始论域，（）为输出 和 的初始论域，则（）和（）分别可表示为（），（），（）式中：和 均为常数。论域变化后可表示为（）（），（）（）（），（）（）式中：（）和（）分别为输入和输出论域的伸缩因子。实验结果及分析 仿真结果模糊逻辑控制隶属度函数仿真结果如图 所示，其中图（）为误差，图（）为误差变化值，图（）为期望值（）。图 模糊逻辑控制隶属度函数图在调整了模糊 控制的论域、模糊规则和输出电压范围后，仿真结果如图 所示，超调量比常规 减小了一半多，减小了对电子元器件的瞬时电压冲击，提高了系统的稳定性。在设计一个高效率的车载供电系统时，必须平衡响应速度、稳定性和超调量之间的关系。图 输出电压仿真结果图 实物验证及分析本系统的供电电压为 ，负载选用四个 白炽灯，对整体系统进行了验证。实物验证如图 所示。图 实物验证图图 空载 驱动波形 波形测试结果基于模糊 的车载正弦波逆变供电系统将开关频率设定为 ，限制占空比为，为了避免输出空载时电压过高，因此降低了 占空比。空载时驱动波形如图 所示。输出带载时，系统提高了 占空比以保证输出电压的稳定。带载时驱动波形如图 所示。为了保证整套系统的效率，全桥逆变电路采用单极性调制的控制方式，单片机 驱动波形如图 所示。经过模糊 控制、全桥逆变电路和 滤波后得到输出正弦波电压，此时电压峰峰值为电 子 器 件第 卷，则 有 效 值 为 ，频 率 为。正弦波电压波形如图 所示。图 带载时 驱动波形图 驱动波形图 正弦波输出电压波形在空载时，使用数字万用表和双踪示波器，对输出电压、频率进行了多次测量，测试结果见表。表 空载时输入输出参数测量次数输出电压 输出电流 频率 输入电压 输入电流 根据表格测量数据可以得出，在空载情况下，逆变器输出电压达到了（），测量频率达到了（），满足设计要求。在带载时，使用数字万用表和双踪示波器，对输出电压、频率进行了多次测量，测试结果见表。表 带载时输入输出参数测量次数输出电压 输出电流 频率 输入电压 输入电流 根据表格测量数据可以得出，在带载情况下，逆变器输出电压达到了（），输出电流约为，测量频率达到了（），输入电压约为 ，输入电流约为 ，效率，满足设计要求。结论实验结果表明基于变论域模糊 车载供电系统，比常规 控制策略的超调量更小，响应速度更快，输出电流电压更稳定。基于单片机的变论域模糊 供电系统能够实现输入低压直流电，输出交流电压为 、电流为 、频率为 ，且波动量很小，在负载供电时效率高达，可以应用到汽车领域。参考文献：于玉军，王亚君，陈垚 小型高效数字式双向 变换器设计 电子器件，（）：李浩然，杨旭红，薛阳，等 基于模糊 参数自整定和重复控制的三相逆变器并网研究 电机与控制应用，（）：刘卫亮，刘长良，张会超，等 结合模糊 与前馈补偿的光伏微型逆变器仿真 系统仿真学报，（）：江玮，刘鸣，陈瑶琴，等 基于模糊 和重复控制的逆变器复合控制研究 电子器件，（）：司陆军，黄巧亮 无刷直流电机变论域模糊 控制系统研究 计算机仿真，（）：，凌跃胜，酉家伟，田锐，等 一种多模态准谐振 变换器 电源技术，（）：于广，申华，刘龙，等 基于 的高效率开关电源设计 电源技术，（）：倪红军，陈祥，朱建新，等 电池管理系统电压采样电路的设计与研究 现代电子技术，（）：司陆军，黄巧亮 无刷直流电机变论域模糊 控制系统研究 计算机仿真，（）：，第 期张 勇，宁 武等：基于单片机的变论域模糊 车载供电系统设计 郭莎 高效率光伏逆变器拓扑结构及控制策略的研究 锦州：辽宁工业大学，肖艳军，毛哲，温博，等 基于 的综合实验平台设计 实验技术与管理，（）：单立军，孔永华 基于 单片机的智能窗控制系统设计 东华大学学报（自然科学版），（）：吴煜霞，吴宇辉，等 基于 单片机控制的智能导盲手杖设计计 扬州大学学报（自然科学版），（）：，朱向庆，何昌，等 基于 单片机的通信技术实验系统设计 实验技术与管理，（）：张 勇（），男，辽宁省灯塔市人，硕士研究生，主要研究方向：现代电力电子应用技术，；宁 武（），男，辽宁省瓦房店市人，讲师，主要研究方向：物联网及电力电子应用技术研究；孟丽囡（），女，辽宁省义县人，副教授，主要研究方向：高效率功率变换器；庞恒立（），男，辽宁省瓦房店市人，主要研究方向：物联网及电力电子应用技术研究；甄禹彤（），女，辽宁省盖州市人，硕士研究生，主要研究方向：电子设计与自动化技术。