基于电压电流双闭环结构的声呐发射机逆变电路控制策略

徐怡 王福林 叶健

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于电压电流双闭环结构的声呐发射机逆变电路控制策略

徐怡 王福林 叶健

（第七一五研究所，杭州，310023）

为改善声呐发射机输出电压准确性并提高系统响应速度，将电压电流双闭环结构应用于声呐发射机控制，基于双闭环控制建立了声呐发射机的小信号模型，并结合换能器等效模型建立了发射机开环控制与闭环控制仿真模型，对比分析了两种控制策略，结果表明闭环控制系统有效抑制了输出电压受直流母线电压与换能器等效负载的干扰，并改善了系统动态性能。

声呐发射机；闭环控制；电压电流双环

声呐技术作为主要的海洋探测技术，其稳定发展是保证海洋军事技术得以突破的前提条件［1］。声呐发射机是电力电子技术在声呐系统中的有效应用，为声呐系统提供了电能支持，是声呐系统实现电声转换的重要部分［2］。其主要功能是为声呐换能器提供单频、调频及组合信号等的正弦波，通常由前级AC/DC与后级DC/AC电路组成。换能器作为发射机负载有其特殊性，在电气特性上体现出非线性，以容性为例，工程上常将容性换能器阻抗等效为电阻与电容并联的形式，但等效电阻与电容将随换能器的工作状态改变而改变。

文献［3］介绍了声呐发射机的研制，包括信号的产生与控制、功率放大部分的原理及结构等，文中发射机采用了开环控制方案，实现了特定频率的正弦波形输出，在负载特性较为复杂的情况下体现出良好的稳定性能。但开环控制的输出易受负载条件及输入条件的影响，同时开环系统动态响应较慢，其阶跃响应存在较大超调量，易造成器件损害。

针对以上问题，本文将闭环结构［4，5］引入发射机控制中，采用电压与电流双环控制策略以稳定发射机电压输出，同时提高系统响应速度。电压环作为系统控制外环，电流环作为系统控制内环，外环的输出作为内环的给定。为验证电压电流双环结构能实现发射机的控制，本文在Matlab/Simulink环境中搭建了发射机闭环控制模型，进行仿真分析，结果表征电压电流双闭环控制能保证输出电压的稳定并提高发射机系统的动态响应，减少超调量。

1　声呐发射机系统

发射机通常由外部交流电源供电，通过AC/DC与DC/AC实现正弦波输出，输出频率范围约为1 Hz～100 kHz，信号形式可分为单频、调频、组合信号、脉冲串和任意波形信号等。根据声呐脉冲式发射声波的要求，发射机输出正弦波脉冲，脉冲形式可为矩形、正弦形或其他复杂包络。声呐发射机的负载是换能器，实现电声转换功能。

声呐发射机系统的简化结构如图1所示。AC/DC部分可采用单级不控整流、前级不控整流加后级DC/DC稳压、PWM整流等方案实现。由于单级不控整流形式简单可靠，故被广泛用于声呐发射系统中。考虑其不可控性，本文对AC/DC部分不深入研究，而主要研究DC/AC部分的控制方案，DC/AC部分采用单相全桥拓扑。换能器使用电阻与电容等效，容性负载会增大系统无功电流，故系统在负载侧配置匹配电感，此匹配电感在额定工况下与换能器等效电容谐振，理想情况下负载整体对外特性将以纯阻性的形式体现。

图1　声呐发射系统简化结构图

2　传统声呐发射机控制

发射机逆变部分（DC/AC）及负载结构如图2所示。发射机前级AC/DC电路为单相全桥逆变电路供电，逆变电路输出经过滤波器为负载供电。考虑声呐发射机输出电压的频率以kHz级为主，系统使用串联LC滤波器，将LC谐振频率设置为发射机输出电压中心频率实现带通滤波。RL、CL为换能器等效阻抗，LL为匹配电感。为了模拟换能器阻抗特性的改变，本文通过开关S并联RL2、CL2改变负载。

图2　基于开环控制的声呐发射机逆变电路及负载结构图

考虑系统负载较为复杂，传统发射机的DC/AC电路主要采用开环控制策略，使用SPWM调制方式，通过调制比调节输出电压：

3　基于闭环结构的声呐发射机控制

基于闭环控制的声呐发射机逆变电路及负载结构图如图3所示，电压环与电流环都采用比例积分调节器，调制方式采用SPWM调制。

图3　基于闭环控制的声呐发射机逆变电路及负载拓扑结构

3.1双环控制原理

双环控制结构由电压控制与电流控制组成。电压控制比较电压给定值与电压反馈值，得到电压误差信号，通过PI补偿器得到电流给定，从而实现了电压的无静差控制。电压控制的频域表达式为：

其中vref为输出电压给定，vout为发射机输出电压，kpv为电压控制器比例参数，kiv为电压控制器积分参数，iref为电压控制输出，iref为电流内环给定值。

电流控制比较电压控制器输出值与电感电流反馈值，得到电流误差信号，电流控制同样采用PI补偿器调节，得到控制信号。电流控制有效提高了系统响应速度，其频域表达式为：

其中iL为发射机电感电流，kpi为电流控制器比例参数，kii为电流控制器积分参数，v为电流控制输出，电流控制环节的输出经过SPWM调制，形成全桥桥臂的驱动信号。

3.2基于闭环结构的声呐发射机模型

选取电感电流iL与电容电压vC为状态变量，考虑输出变压器理想的情况下，可得到小信号条件下发射机逆变电路的模型：

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其中R为电感寄生电阻，RL为发射机负载等效电阻，v为逆变器桥臂输出电压，n为变压器的变比。

根据发射机逆变电路的模型，得到电流内环与电压外环的结构框图如图4所示，根据控制框图可得到系统传递函数。

图4　发射机逆变电路结构框图

4　仿真验证

为验证闭环结构在发射机控制中能有效实现恒压输出，在Matlab/Simulink环境下搭建了开环发射机系统模型，系统参数设置如表1所示。在开环发射机系统模型的基础上设计了闭环发射机系统并搭建了仿真模型。对直流母线电压变化与换能器等效负载变化两种情况进行了模拟仿真。

表1　发射机系统参数

4.1直流母线电压变化

考虑工程实际，系统直流母线电压无法维持完全恒定，为模拟直流母线电压变化对发射机输出电压的影响，仿真中在0.019 s时将直流母线电压设置为530 V，即直流母线电压在0.019 s时从570 V变化到530 V。

为模拟声呐系统脉冲式发射的需求，仿真中每0.02 s发射一次输出脉冲，脉冲宽度为0.01 s。图5表征了直流母线电压从570 V变化至530 V时，发射机在开环控制与闭环控制情况下的输出电压仿真波形。图5（a）为开环情况下的输出电压波形，可见输出电压超调量较大，容易引起器件过压损坏；同时随直流母线电压的变化，输出电压稳态最大值从1 138 V改变到1 098 V。图5（b）为闭环情况下的输出电压波形，在直流母线电压改变前后，输出电压稳态最大值能维持1 075 V恒定，即闭环控制能有效减小直流母线电压变化对输出电压的影响。

图5　直流母线电压变化时发射机的输出电压

4.2换能器等效负载变化

发射机的负载换能器，随其工作环境的不同（如水深、温度等），换能器等效负载会相应发生变化。为模拟换能器等效负载的变化对发射机输出电压的影响，仿真中在0.019 s将负载设置为100 Ω、1.5 μF，即发射机负载在0.019 s时从200 Ω、1.0 μF变化为100 Ω、1.5 μF。

图6表征了换能器等效负载变化前后，发射机在开环控制与闭环控制情况下的输出电压仿真波形。图6（a）为开环情况下的输出电压波形，随负载的变化，输出电压稳态最大值从1 138 V改变到1 405 V。图6（b）为闭环情况下的输出电压波形，在换能器等效负载改变前后，输出电压稳态最大值能维持1 075 V恒定，即换能器等效负载的改变对基于闭环控制的发射机输出电压的影响较小。

图6　换能器等效负载变化时发射机的输出电压

5　结论

针对声呐发射机开环控制中存在的问题，给出了声呐发射机电压电流双闭环控制方案并建立了双闭环逆变器小信号模型，对比验证了控制方案的可行性，得到如下结论：

（1）电压电流双闭环控制可应用于声呐发射机实现输出电能质量的优化。

（2）较开环控制策略，基于电压电流双闭环结构的声呐发射机输出电压在输入直流母线电压改变时能保持稳定。

（3）在负载改变时，电压电流双闭环能有效控制发射机输出电压跟踪给定的变化，提高了系统抗干扰性能。

[1] 李启虎. 水声学研究进展[J]. 声学学报, 2001,26(4): 295-301.

[2] 朱建军, 陈宝伟 李海森. 宽带大功率声呐AM信号发射机的设计与实现[J]. 应用声学. 2014, 33(6):490-495.

[3] 车平, 覃桂科, 叶健. 高频大功率脉宽调制声呐发射机的研制[J].声学与电子工程, 2006, (2):36-38.

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