一種電流斬波控制器及實現方法
2024-03-06 17:53:15 3
一種電流斬波控制器及實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種電流斬波控制器，包括電流採樣電路、微處理器、三相整流橋式電路、濾波電路、三相PWM調製電路和電機繞組電路；其中，三相整流橋式電路連接濾波電路，濾波電路連接三相PWM調製電路，微處理器連接三相PWM調製電路和三相整流橋式電路，電流採樣電路連接三相PWM調製電路和電機繞組電路；本發明將傳統的電流斬波控制和脈寬調製通過模糊邏輯控制規則結合起來，克服電流斬波控制器開關頻率不固定、對器件的開關頻率要求較高的缺點；低的開關頻率實現了高性能的電流控制，提高驅動系統的性能。
【專利說明】一種電流斬波控制器及實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及自動化控制領域，尤其涉及一種電流斬波控制器及實現方法。
【背景技術】
[0002]在自動化控制等領域內，尤其是對電動機等相關控制對象，為了避免過大的電流脈衝對功率開關器件及電動機造成損壞及提高系統的可控性，需要對電流峰值進行限定，一般採用電流斬波的控制方法。
[0003]該控制方法是讓實際檢測到的電流與電流參考值進行實時比較，構成電流偏差，如果電流偏差大於預置的誤差寬度，控制晶片根據偏差的極值來控制功率開關器件的開關或關斷，讓實際電流跟隨參考電流值。
[0004]這種控制方式，從理論上講可以使實際電流實時跟蹤參考電流，因此不存在延遲或滯後的問題；且由於實施起來比較簡單，目前獲得了廣泛應用。
[0005]但是傳統的電流斬波控制器在預置的電流誤差寬度較小時，對電力電子器件的開關頻率要求較高等缺點。
[0006]如果電流斬波電力電子器件開關頻率設置的比較低，實際電流與參考電流誤差就比較大，造成實際電流圍繞參考電流上下波動較大。
【發明內容】
[0007]發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種電流斬波控制器及實現方法，該電流斬波控制器操作簡單、使用方便、有效地提高系統動態性能。
[0008]為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案:
[0009]一種電流斬波控制器，包括電流採樣電路、微處理器、三相整流橋式電路、濾波電路、三相PWM調製電路和電機繞組電路；其中:
[0010]三相整流橋式電路，包括若干個二極體，構成全相橋式電路，連接交流電源與濾波電路，用於將交流電源電壓整流為方向不變、仍有脈動的直流電；
[0011 ] 濾波電路，包括若干個電解電容，連接在三相整流橋式電路和三相PWM調製電路之間，用於過濾方向不變、仍有脈動的直流電中的脈動；
[0012]微處理器，連接三相PWM調製電路與電流採樣電路，根據採樣返回的電流，發出控制信號，控制三相PWM調製電路中各項電子器件的通斷；
[0013]三相PWM調製電路，包括若干個二極體和場效應管，連接濾波電路和微處理器，用於斬波調製直流電，以控制電機繞組電路；
[0014]電機繞組電路，連接三相PWM調製電路和電流採樣電路，接收三相PWM調製電路斬波處理後的直流電，控制電機的運行；
[0015]電流採樣電路，連接在微處理器和電機繞組電路之間，用於採集電動機控制電路中的實際電流值，採樣電流值通過模數轉換後進入微處理器。
[0016]所述微處理器為數位訊號處理器、可編程邏輯控制器、電子控制單元中的一種。[0017]基於上述電流斬波器的實現方法，具體步驟為:
[0018](I)採集電動機的實際電流:電動機的實際電流經過採樣電路採集後，通過模數轉換轉換成數位訊號後進入微處理器；
[0019](2)計算電流偏差:將給定電流參考值與實際檢測電流相比較，構成電流偏差；
[0020](3)改變脈衝寬度佔空比，根據實際電流偏差與預置電流誤差和其誤差變化率的關係，在微處理器程序中按照下面的規則實時改變脈衝寬度的佔空比:
[0021]當電流誤差為[0，h][0，2h]，[0，3h]，[0，4h]，[0，5h]範圍內時，低電平的佔空比分別為 20%、40%、60%，80%、100% ；
[0022]當電流誤差為[_h, 0] [-2h, 0], [~3h, 0], [~4h, 0], [~5h, 0]範圍內時，聞電平的佔空比分別為 20%、40%、60%，80%、100% ；
[0023]其中，h為參考電流的一定比例值，大於0，比如0.5%、1%、1.5%等數值，具體數值的大小根據系統對電流控制精度的要求來確定；
[0024](4)實現電流斬波控制:微處理器的I/O管腳輸出信號控制電力電子器件的開通或關斷實現更平滑的電流斬波控制。
[0025]本發明的工作原理為:實時監測電動機繞組的實際電流，利用微處理器對電流進行對比分析，通過調節主電路中相關電力電子元件，對三相電整流的直流電進行通斷控制，實現對電動機的高性能控制。
[0026]本發明的有益效果為:
[0027]1、將傳統的電流斬波控制和脈寬調製通過模糊邏輯控制規則結合起來，克服電流斬波控制器開關頻率不固定、對器件的開關頻率要求較高的缺點；
[0028]2、低的開關頻率實現了聞性能的電流控制，提聞驅動系統的性能；
[0029]3、方法簡單，使用方便，實時監測電動機的實際電流，及時調製。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為微處理器與主電路連接圖；
[0031]圖2為開關磁阻電機A相繞組與不對稱結構主電路連接示意圖；
[0032]圖3為A相繞組從通電到關斷續流的二種狀態不意圖；
[0033]圖4為開關磁阻電機理想電流波形示意圖；
[0034]圖5為開關磁阻電機理想電流斬波控制時Qff1、Qal驅動側脈寬調製示意圖；
[0035]圖6為開關磁阻電機所提出的電流斬波控制方驅動側脈寬調製示意圖。
【具體實施方式】:
[0036]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0037]如圖1所示，一種電流斬波控制器，包括電流採樣電路、微處理器、三相整流橋式電路、濾波電路、三相PWM調製電路和電機繞組電路；其中:
[0038]三相整流橋式電路，包括若干個二極體，構成全相橋式電路，連接交流電源與濾波電路，用於將交流電源電壓整流為方向不變、仍有脈動的直流電；
[0039]濾波電路，包括若干個電解電容，連接在三相整流橋式電路和三相PWM調製電路之間，用於過濾方向不變、仍有脈動的直流電中的脈動；[0040]微處理器，連接三相PWM調製電路與電流採樣電路，根據採樣返回的電流，發出控制信號，控制三相PWM調製電路中各項電子器件的通斷；
[0041 ] 三相PWM調製電路，包括若干個二極體和場效應管，連接濾波電路和微處理器，用於斬波調製直流電，以控制電機繞組電路；
[0042]電機繞組電路，連接三相PWM調製電路和電流採樣電路，接收三相PWM調製電路斬波處理後的直流電，控制電機的運行；
[0043]電流採樣電路，連接在微處理器和電機繞組電路之間，用於採集電動機控制電路中的實際電流值，採樣電流值通過模數轉換後進入微處理器。
[0044]如圖2所示，交流電壓通過前端的三相整流橋式電路整流變成帶有諧波的直流，然後通過中間的濾波電容形成直流，最後經過控制電路中電子電子器件的有序開通和關斷來實現對開關磁阻電機的控制。
[0045]如圖3所示，以A相繞組為例，繞組從通電到關斷續流的三種狀態，狀態a是橋臂中電力電子器件QlU和QlD同時開通，電流經過直流電壓正極、Q1U、繞組A、Q1D、到直流電壓負極。狀態b是橋臂中電力電子器件QlU關斷，QlD開通，由於繞組中的電感，電流不能突然消減為零，在狀態1中所形成的繞組電流在繞組A、Q1D、DlD形成的迴路中續流。狀態c是是橋臂中電力電子器件QlU和QlD同時關斷，繞組A中電流在繞組A、D1U、直流電壓正極、直流電壓負極、DlD形成的迴路中續流。
[0046]如圖4所示，上半部分中La表示開關磁阻電感曲線，根據電感的隨轉子位置的變化，來確定開關磁阻電機產生轉矩的理想電流波形和其開通9。?和關斷角9。?的位置。圖中下半部分為採用電流斬波控制方法，取電流上限為iaffl+h，電流下限為時，繞組A中的實際電流波形示意圖，其中h為參考電流的一定比例值，大於0，取1%在實際實現上述的電流斬波控制時，實際電流與參考電流的偏差如果設置的比較小，就需要電流斬波控制的開關頻率非常高，這樣電流電子器件的開關損耗就會增大。如果實際電流與參考電流的偏差如果設置的比較大，電流斬波控制的開關頻率雖然下降了，但是實際電流不能很好的跟隨參考電流，電流波動比較大，導致電機產生較大的轉矩波動。
[0047]如圖5所示，給定電流參考值與實際檢測電流相比較構成電流偏差，如果電流偏差大於預置的誤差寬度，這隻臂就根據電流偏差極性情況開通或關斷，使得實際電流在給定電流值土h的範圍內。圖5中Qah和Qal驅動側脈寬調製示意圖為實現繞組A中的實際電流i 波形示意圖時，電力電子器件Q1D、DlD驅動側脈寬調製(PWM)示意圖。圖中T為達到理想的電流所需的最小中斷周期，1/T為實現電流斬波控制的開關頻率。
[0048]本發明中的電流控制器對上述傳統電流斬波控制方法進行改進。電動機的實際電流經過電流採樣電路後，進入到處理器轉換成數位訊號。給定電流參考值與實際檢測電流相比較構成電流偏差，如果電流偏差超出預置的誤差值，根據實際電流偏差與預置電流誤差和其誤差變化率的關係在中斷程序中根據所設定的模糊邏輯規則實時改變改變脈衝寬度(PWM)的佔空比，PWM或I/O管腳輸出信號控制電力電子器件的開通或關斷實現更平滑的電流斬波控制。
[0049]如圖6所示，電流誤差形成開關磁阻電機所提出的電流斬波控制方法QiunQm驅動側脈寬調製(PWM)示意圖。將實 際電流分成i參考土h、i參考±2h、i參考±3h、i參考±4h、i參考±5h幾段。以i_±h為例，在實際電流大於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%關斷，而是按照20%佔空比關斷；在實際電流小於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%開通，而是按照20%佔空比開通。
[0050]實際電流在i#；t±2h內時，在實際電流大於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%關斷，而是按照40%佔空比關斷；在實際電流小於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%開通，而是按照40%佔空比開通。
[0051]實際電流在i#$±3h內時，在實際電流大於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%關斷，而是按照60%佔空比關斷；在實際電流小於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%開通，而是按照60%佔空比開通。
[0052]實際電流在i#；t±4h內時，在實際電流大於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%關斷，而是按照80%佔空比關斷；在實際電流小於上限時，中斷周期內電力電子器件不是100%開通，而是按照80%佔空比開通。
[0053]實際電流在i#$±5h內時，在實際電流大於上限時，中斷周期內電力電子器件100%關斷；在實際電流小於上限時，中斷周期內電力電子器件100%開通。
[0054]通過實際的應用證明上述的電流斬波控制控制器能夠明顯提高驅動系統的性能，由於電流斬波控制方法將傳統的電流斬波控制和脈寬調製通過模糊邏輯控制規則結合起來，克服電流斬波控制器開關頻率不固定、對器件的開關頻率要求較高等缺點。該控制器用比較低的開關頻率實現了高性能的電流控制方法。
[0055]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
【權利要求】
1.一種電流斬波控制器，其特徵是:包括電流採樣電路、微處理器、三相整流橋式電路、濾波電路、三相PWM調製電路和電機繞組電路；其中: 三相整流橋式電路，包括若干個二極體，構成全相橋式電路，連接交流電源與濾波電路，用於將交流電源電壓整流為方向不變、仍有脈動的直流電； 濾波電路，包括若干個電解電容，連接在三相整流橋式電路和三相PWM調製電路之間，用於過濾方向不變、仍有脈動的直流電中的脈動； 微處理器，連接三相PWM調製電路與電流採樣電路，根據採樣返回的電流，發出控制信號，控制三相PWM調製電路中各項電子器件的通斷； 三相PWM調製電路，包括若干個二極體和場效應管，連接濾波電路和微處理器，用於斬波調製直流電，以控制電機繞組電路； 電機繞組電路，連接三相PWM調製電路和電流採樣電路，接收三相PWM調製電路斬波處理後的直流電，控制電機的運行； 電流採樣電路，連接在微處理器和電機繞組電路之間，用於採集電動機控制電路中的實際電流值，採樣電流值通過模數轉換後進入微處理器。
2.如權利要求1所述的一種電流斬波控制器，其特徵是:所述微處理器為數位訊號處理器、可編程邏輯控制器、電子控制單元中的一種。
3.基於上述電流斬波器的實現方法，其特徵是:具體步驟為: (1)採集電動機的實際電流:電動機的實際電流經過採樣電路採集後，通過模數轉換轉換成數位訊號後進入微處理器； (2)計算電流偏差:將給定電流參考值與實際檢測電流相比較，構成電流偏差； (3)改變脈衝寬度佔空比，根據實際電流偏差與預置電流誤差和其誤差變化率的關係，在微處理器程序中按照下面的規則實時改變脈衝寬度的佔空比: 當電流誤差為[0，h][0，2h]，[0，3h]，[0，4h]，[0，5h]範圍內時，低電平的佔空比分別為 20%、40%、60%，80%、100% ； 當電流誤差為[_h，0] [_2h，0]，[_3h，0]，[_4h，0]，[_5h，0]範圍內時，高電平的佔空比分別為 20%、40%、60%，80%、100% ； 其中，h為參考電流的一定比例值，大於O，比如0.5%、1%、1.5%等數值，具體數值的大小根據系統對電流控制精度的要求來確定； (4)實現電流斬波控制:微處理器的I/O管腳輸出信號控制電力電子器件的開通或關斷實現更平滑的電流斬波控制。
【文檔編號】H02P23/14GK103607160SQ201310643065
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】周廣旭, 李豹, 張延波, 劉媛, 謝愛珍 申請人:山東省科學院自動化研究所