一種PI調節電路的製作方法

2023-05-19 08:19:06

本實用新型屬於調節電路技術領域，具體涉及一種PI調節電路。

背景技術：

PI調節器具有廣泛的應用，比如在電機控制領域可用於速度環或位置環的閉環校正,適用於具有大慣性，大滯後特性的被控對象。雖然，隨著數字控制技術的普遍應用，PI調節器可以完全由數字控制器實現，但傳統的模擬PI調節器因其結構簡單、成本低廉、可靠性高等特點仍然在廣泛使用。

現有技術中，模擬PI調節器採用模擬電路進行PI調節，通常包含比例調節電路和積分電路。一般情況下，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差。但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分電路則是為了使系統消除穩態誤差，提高無誤差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。

但是，當控制環路停止工作時，積分電路因為電壓的零位漂移會出現積分飽和，此時如果啟動控制環路，PI調節器的輸出為飽和值，會影響控制環路的正常運行。另外，電機控制的閉環校正部分與電機驅動部分經常需要隔離，而對模擬信號的傳輸進行隔離通常存在較大的困難。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種PI調節電路，其具有優化的電路結構，可以實現抗積分飽和問題，並具有良好的隔離性能。

為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種PI調節電路，用於實現當控制環路停止工作的時候出現的積分飽和問題，以及實現對模擬信號的傳輸進行隔離。

本實用新型的PI調節電路包括比例調節電路和積分電路，其中所述比例調節電路用於接收輸入信號，其包含運算放大器U1，所述積分電路包含隔直電容C2和運算放大器U2，且隔直電容C2一端與運算放大器U2的反相輸入端連接，另一端與運算放大器U2的輸出端連接，運算放大器U1輸出端與運算放大器U2反相輸入端連接；其特徵在於，所述PI調節電路還包括模擬開關和線性隔離電路，其中模擬開關與隔直電容C2兩端並聯，所述線性隔離電路與運算放大器U2的輸出端連接。

本實用新型的上述技術方案中，比例調節電路即是成比例的反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；積分電路主要用於消除靜差，提高系統的無差度；線性隔離電路可實現PI調節電路產生的模擬信號的隔離傳輸；模擬開關可控制積分電路工作狀態。

本實用新型的上述技術方案中，模擬開關電路接在積分電路電容的兩端，由輸入信號控制；線性隔離電路由發射部分和接收部分構成，兩部分相互之間絕緣；發射部分包括微電流源、發射器、接收器和運算放大器，信號從運算放大器反相輸入端輸入，微電流源和接收器均一端接在運算放大器的反相輸入端上，另一端接地，隔直電容接在運算放大器的信號輸入端，另一端接在信號輸出端，發射裝置陰極接地，陽極接到運算放大器的輸出端；接收部分包括微電流源、運算放大器和接收器，運算放大器反相輸入端與微電流源和接收器相接，同相輸入端接地，另有隔直電容和/或電阻兩端接在運算放大器的輸入端和輸出端，隔離信號從運算放大器輸出端輸出。

本實用新型的上述技術方案中，模擬開關電路通過輸入控制信號，來控制積分電路的工作狀態，當控制環路停止工作的時候，通過控制信號模擬開關電路接通，積分電路被短路，PI調節電路中只有比例調節電路，輸出信號沒有經過積分作用，不會出現輸出信號積分飽和現象。

線性隔離電路通過對模擬信號進行隔離發射和接收，實現隔離傳輸。線性隔離電路包括發射部分和接收部分，二者相互之間絕緣是實現模擬信號隔離傳輸的關鍵。發射器發射的信號被分屬發射部分和接收部分的兩個接收器接收，通過對微電流源進行調節實現發射部分和接收部分產生相同大小的偏置電流，同時也對其他相應器件進行調整，使得發射電路和輸出電路有關輸入輸出信號的計算公式內相應的元件數值一樣，從而得到與輸入信號等額的輸出信號，在發射部分和接收部分相互絕緣的情況下實現模擬信號傳輸的隔離。

優選的，上述發射部分發射器與運算放大器之間還可以接入一個電晶體放大電路。考慮到發射器發射信號強度問題，可以在運算放大器與發射器之間接入一個電晶體放大電路，發射器連接的是電晶體的集電極，基極連接的是運算放大器的輸出端。

總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

1)本實用新型的PI調節電路，通過輸入控制信號控制模擬開關的打開或者閉合，實現控制積分電路工作狀態，避免控制環停止工作的時候出現積分飽和，從而導致輸出結果不準確的問題；

2)本實用新型的PI調節電路，通過線性隔離電路，信號發射部分和接收部分相互絕緣，對接收部分信號進行等同處理，實現對PI調節電路輸出的模擬信號進行隔離傳輸；

3)本實用新型的PI調節電路採用模擬電路實現的抗積分飽和隔離輸出的PI調節器，電路結構簡單、成本低、可靠性高。

附圖說明

圖1為抗積分飽和PI調節電路

圖2為線性隔離電路

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

圖1為抗飽和積分電路，其中SET信號為控制環路的給定信號，FEEDBACK信號為反饋信號，抗飽和積分電路的輸出為A，PI_CTRL信號為模擬開關的控制信號。運放U1、電位器R6、電阻R8、R14、R18組成比例電路，通過調節R6，使電路的增益在1～∞之間變化，在系統信號出現偏差的時候，控制運行減少誤差。運放U2、電阻R9、R13、電容C2組成比例積分電路，用於消除靜差，提高系統的無誤差度。U1和U2一起構成現有技術的PI調節器。

隔直電容C2為積分電容，積分電路工作的時候，為了防止電容C2不受控制的飽和，在電容C2兩端跨接了模擬開關U3。模擬開關U3受PI_CTRL信號的控制，開關U3閉合時電容C2被短接，整個電路為純比例環節，沒有積分作用，開關U3斷開時電路為PI調節電路。控制環路不工作時，可以通過PI_CTRL信號時電路變為比例環節，消除積分的作用，將PI調解電路變為純比例調節電路，電路的輸出不會飽和。

圖2為線性隔離電路，信號A為圖1中PI調節器的輸出信號，信號PI_OUT為電路的隔離輸出信號。線性光耦U8是實現信號隔離傳輸的核心器件，U8包含一個發射器U8A和兩個接收器U8B、U8C，接收器U8B和U8C均接收來自發射器U8A同樣的信號，其電流始終相等。信號A進入發射電路後，經由運算放大器U6後，依靠C1、Q1、U8A、U8B的反饋作用，使U8B的電流I1等於A/R15+IOFFSET1，輸入信號A等於(I1-IOFFSET1)×R15。其中IOFFSET1為偏置電流，由微電流源U4產生，用於保證電路能夠正常工作。運算放大器U7是接收電路的一部分，接收電路正負電源採用隔離供電，與發射部分物理絕緣。信號經由隔直電容C2、電阻R15、運算放大器U7和偏置電流IOFFSET的反饋作用，使得U8C的電流I2等於PI_OUT/R5+IOFFSET2，即輸出信號PI_OUT等於(I2-IOFFSET2)×R5。因為接收器U8B與接收器U8C電流始終相等，I1等於I2，因此當IOFFSET1等於IOFFSET2且R5等於R15時，PI_OUT等於A，即實現了對模擬信號的傳輸隔離。

圖1與圖2的電路相結合所構成的PI調節電路同時具備了抗積分飽和和模擬信號隔離輸出的能力。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。