拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器的製作方法
2024-03-08 00:57:15
專利名稱：拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流跟蹤PWM控制器。適用於各種電壓型脈寬調製(pulse-widthmodulation，簡稱PWM)變換器的電流跟蹤控制。
背景技術：
對於動態性能要求較高的電壓型PWM變換器，如電機驅動、電力有源濾波器(APF)、功率因數校正器(PFC)以及UPS等，最適合採用電流跟蹤直接控制。電流控制可以通過三角波比較或滯環控制等方法加以實現。三角波比較PWM電流控制的最大優點就是具有固定的開關頻率，但系統響應受其電流反饋穩定性的限制，並易受負載參數的影響。滯環控制PWM方法的優點是無穩定性問題、簡單並易於實現、響應速度快，並具有限制電流峰值的能力，而且不需要系統參數信息。但傳統的滯環控制因其滯環帶寬固定，會造成開關頻率變化較大，因此也限制了它的應用。為了克服這一缺點，人們先後提出了各種可變滯環環帶的電流控制方案，如鎖相環(PLL)定頻控制、自適應滯環帶寬控制、帶開關頻率前向預測技術的鎖相環(PLL)定頻控制、無差拍(dead-beat)滯環控制等，通過對滯環環帶進行預測或計算實現了定頻滯環電流跟蹤控制，但由於滯環環帶與相關測量信號之間存在非線性函數關係，需藉助單片機或DSP並結合複雜的硬體電路才能實現，在很大程度上增加了應用的難度。
發明內容針對現有技術的不足，本發明提供一種能在一個開關周期內，使電流連續跟蹤指令電流值並能保持開關頻率基本恆定的拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器。
本發明採用的解決方案是該控制器包括(1)帶復位的拋物線波形發生器拋物線波形發生器輸出信號的形狀由時間與開關周期之比減去該比值的平方決定，其幅值由其輸入信號決定，該輸入信號由開關周期及PWM變換器主電路參數決定；(2)模擬反相器其作用是將來自拋物線波形發生器的輸出信號進行反相後，與反相前的拋物線波形發生器輸出信號一起送到模擬選擇器進行二選一選擇，然後輸出到比較器的輸入端；(3)比較器比較器的另一個輸入來自電流跟蹤誤差信號，其輸出分為三路第一路去控制主電路開關的動作信號，第二路去控制模擬選擇器，第三路作為復位信號發生器的輸入；(4)復位信號發生器用於檢測來自比較器的輸出信號，當發生正跳變或負跳變時，輸出一個窄脈衝信號，該脈衝信號連到拋物線波形發生器的復位端，使拋物線波形發生器復位，即輸出為零；(5)模擬選擇器其作用是將拋物線波形發生器輸出信號及模擬反相器進行反相後的拋物線波形發生器的輸出信號進行二選一選擇，輸出到比較器的輸入端。
工作時，電流跟蹤誤差信號與模擬選擇器輸出的正向或負向拋物線波形信號通過比較器進行比較；當電流跟蹤誤差大於正向拋物線波形信號時，比較器輸出翻轉，控制主電路開關轉向，使電流跟蹤誤差曲線下降；當電流跟蹤誤差小於負向拋物線波形信號時，比較器輸出翻轉，控制主電路開關轉向，使電流跟蹤誤差曲線上升；這樣就將電流跟蹤誤差始終限制在正向和負向拋物線波形之間，達到了電流跟蹤控制的目的。
設拋物線波形發生器的輸出用ipa(t)表示，則ipa(t)=T2L(Ep-En)(tT-(tT)2)]]>其中，Ep——表示PWM變換器主電路直流側正母線電壓(V)；En——表示PWM變換器主電路直流側負母線電壓(V)；T——表示開關周期(s)；L——表示PWM變換器主電路輸出點a與負載或電源之間的串聯電抗器電感值(H)；t——表示時間(s)；設電流跟蹤誤差用Δi(t)表示，有Δi(t)＝i(t)-iref(t)其中i(t)——表示輸出電流(A)；iref(t)——表示指令電流(A)。
拋物線波形發生器的輸出ipa(t)與電流跟蹤誤差Δi(t)的交點控制主電路PWM開關S的動作時刻，二者通過比較器進行比較。
當PWM開關S動作，使輸出點a與正母線Ep接通時，電流跟蹤誤差Δi(t)上升，持續時間用tp表示；使輸出點a與負母線En接通時，電流跟蹤誤差Δi(t)下降，持續時間用tn表示。有，(a).當0ttpt=tptptT]]>時，ipa(t)>=i(t).]]>由該式控制PWM開關S轉向負母線En的時刻，同時對拋物線波形發生器復位，即令其時間t＝0。
(b).當0ttnt=tntntT]]>時，-ipa(t)=>i(t).]]>由該式控制PWM開關S轉向正母線Ep的時刻，同時對拋物線波形發生器復位，即令其時間t＝0。
本發明採用簡單的電路實現了PWM變換器的電流快速跟蹤控制，在一個開關周期內能使電流連續跟蹤指令電流值，同時保持開關頻率基本恆定。具有滯環電流跟蹤控制的全部優點，但不需要複雜的運算電路。電路易於集成化，可製作成電流跟蹤控制專用集成電路。
圖1是本發明的第一種原理圖。
圖2是本發明的第一種原理的波形圖。
圖3是本發明中拋物線波形發生器的原理圖。
圖4是按圖3給出的拋物線波形發生器原理圖實施的硬體電路結構圖。
圖5是本發明的第二種原理圖。
圖6是本發明的第三種原理圖。
圖7是本發明按圖6所示的第三種原理實施的結構圖。
圖8是本發明按圖7所示結構圖實施的波形圖。
圖9是本發明的帶校正單元的原理示意圖。
圖中，1.端電壓為e的電源或負載，2.電感量為L的電感線圈，3.主電路PWM開關，3a.主電路正橋臂開關管，3b.主電路負橋臂開關管，4.主電路正電壓母線，5.主電路負電壓母線，6.拋物線波形發生器，6a.積分時間常數為T的積分器，6b.積分時間常數為T/2的積分器，6c.比例加法器，7.復位信號發生器，8.加法器，9.模擬反相器，10.比較器，10a.比較器CMP1，10b.比較器CMP2，11.模擬選擇器，12p.正向拋物線波形曲線ipa(t)，12n.負向拋物線波形曲線-ipa(t)，13p.電流跟蹤誤差上升曲線，13n.電流跟蹤誤差下降曲線，14.RS觸發器FF1，15.拋物線波形幅值校正單元，16.加法器，ua為主電路輸出a點對地電壓，Ep為主電路直流測正母線4對地電壓，En為主電路直流測負母線5對地電壓，i(t)為輸出被控電流，iref(t)為被控電流指令值，Δi(t)為被控電流與指令值之間的跟蹤誤差，T為開關周期，tp為主開關3轉向正母線4的持續時間，tn為主開關3轉向負母線5的持續時間，RST、RST1和RST2為拋物線波形發生器6的復位信號，Vr為精密基準電壓，ΔVr為校正單元15的輸出。
具體實施方式
圖1是本發明的第一種結構原理圖。PWM變換器用作逆變電源或UPS等時，端電壓為e的電源或負載1為帶並聯濾波電容的負載；用作電力有源濾波器或無功功率補償器或高性能整流器等時，則端電壓為e的電源或負載1為供電電源；當用作電機驅動器時，電源或負載1為電動機，e為其反電動勢。圖中，主電路PWM開關3通過電感2與電源或負載1連接。被控電流i(t)與其指令電流iref(t)經加法器8相減後得到電流跟蹤誤差Δi(t)，作為比較器10的反相輸入Vin-。PWM開關3的轉換由比較器10的輸出V1控制，V1為高電平時，則控制PWM開關3轉向正母線4，V1為低電平時，則控制PWM開關3轉向負母線5。復位信號發生器7檢測比較器10的輸出V1，只要V1發生跳變(正或負跳變)，則電路7的輸出RST1就產生一個窄的復位脈衝，使拋物線波形發生器6時間復位(t＝0)。拋物線波形發生器的輸出ipa(t)與(Ep-En)T2L]]>成正比，與時間t呈非線性關係，即ipa(t)=T2L(Ep-En)(tT--(tT)2).]]>ipa(t)經9反相後變為-ipa(t)，再經過模擬選擇器11選擇後作為比較器10的正相輸入Vin+。V1為高電平時，控制11選擇ipa(t)，V1低電平時，控制11選擇-ipa(t)。當Vin+大於Vin-時，比較器10輸出V1為高電平，當Vin+小於Vin-時，V1為低電平。
圖2是上述原理的工作波形圖。在t0時刻前，電流跟蹤誤差Δi(t)大於-ipa(t)，V1為低電平，開關3轉向負母線5位置，a點電壓ua＝En，被控電流i(t)下降。在t0時刻由Δi(t)＝-ipa(t)變為Δi(t)小於-ipa(t)，比較器10輸出翻轉，V1變為高電平，控制開關S轉向正母線4，同時控制模擬選擇器11選擇ipa(t)，並且由ED1產生復位脈衝RST1，使6復位，曲線ipa(t)即12p從0開始上升，有Vin+大於Vin-，V1繼續保持高電平，此時a點電壓ua＝Ep，被控電流i(t)開始上升。之後，電流跟蹤誤差Δi(t)由負變正繼續上升，直到t2時刻，由Δi(t)＝ipa(t)變為Δi(t)大於ipa(t)，比較器10輸出翻轉，V1變為低電平，控制PWM開關S轉向負母線5，同時控制模擬選擇器11選擇-ipa(t)，並且由ED1產生復位脈衝RST1，使6復位，曲線-ipa(t)即12n從0開始下降，有Vin+小於Vin-，V1繼續保持低電平，此時a點電壓ua＝En，被控電流i(t)開始由上升轉為下降。之後，電流跟蹤誤差Δi(t)由正變負繼續下降，直到t3時刻。這樣重複以上過程，使被控電流i(t)跟蹤其指令電流iref(t)。
拋物線波形ipa(t)可改寫成下式(在開關周期T內，忽略正負母線電壓Ep和En的變化)，即ipa(t)=T2L(1T0t(Ep-En)dt-2T0t(1T0t(Ep-En)dt)dt)]]>圖3給出了上式拋物線波形發生器的原理圖。由兩個積分器(6a和6b)和一個加法器6c實現。積分器6a的輸入為(Ep-En)T2L,]]>其輸出作為積分器6b的輸入，兩個積分器的輸出用加法器6c相加後得到ipa(t)。其中積分器6a的積分時間常數為T，積分器6b的積分時間常數為T/2。RST1為兩個積分器的時間復位信號。
圖4是按圖3給出的拋物線波形發生器原理的硬體電路結構圖。其中，運放A1和電阻R1以及電容C1構成積分器6a，運放A2和電阻R2以及電容C2構成積分器6b，運放A3和電阻R3、R4以及R5構成加法器6c，電子模擬開關S1和S2構成電容C1和C2的放電電路，即積分器的復位電路。其中，R1*C1＝T，C1＝C2，R2＝R1/2，R3＝R4＝R5。
圖5是本發明的第二種結構原理圖。它將拋物線波形發生器6分為PAF1和PAF2，分別由兩個比較器10a和10b輸出V1和V2，控制RS觸發器14的S和R端，並由其輸出對PAF1和PAF2進行復位。本方案拋物線波形發生器復位時間較長(tp和tn)，因此由復位造成的積分誤差較小。
圖6是本發明的第三種結構原理圖。當主電路直流側正負母線電壓對稱時，即Ep＝-En＝E(半橋或全橋主電路)，可通過檢測a點電壓ua代替檢測Ep或En，這樣可省掉模擬選擇器11等電路。
圖7是按圖6所示原理的實施電路結構圖。主電路為半橋電路(全橋與此類似)，R7和R9為電壓ua的取樣電阻，有uin=ua=R8R7+R8,]]>其中=R8R7+R8]]>為電壓測量係數，ui(t)＝βi(t)，β為電流測量係數，R1*C1＝T，C1＝C2，R2＝R1/2，R3＝R4，R10＝R11＝R12，R5R3=TL.]]>復位信號發生器7由一個異或門xor1和電阻R6以及電容C3組成，時間常數τ＝R6*C3＜＜T。
圖8是圖7所示實例的波形圖。其中，電感L＝0.5mH，T＝0.05ms，Ep＝-En＝E＝400V，電源或負載1端電壓為50Hz正弦電壓，即e=2202sin(100t-/6)(V),]]>指令電流為1kHz正弦波，幅值為30A，即iref(t)＝30sin(2000πt)(A)。可見，本發明電流跟蹤方法能根據電流跟蹤誤差自動改變PWM脈衝寬度或佔空比，並保持開關頻率基本恆定。
通常情況下，主電路直流母線電壓基本恆定或變化緩慢(相對開關頻率而言)，因此拋物線波形發生器6的輸入信號(Ep-En)T2L]]>可用一個電壓基準Vr代替，這樣可以避免對母線電壓的檢測。為補償直流母線電壓的變化或測量誤差以及電感L和開關周期T的誤差，可加入一個校正單元15，如圖9所示。圖中，校正單元15的輸出ΔVr與電壓基準Vr通過加法器16疊加，作為拋物線波形發生器6的輸入Vin。校正單元15的輸出ΔVr可根據下列規律控制當Vin偏大時，會導致開關周期增大，還會出現電流誤差平均值Δi(t)＞0(開關佔空比小於0.5時)和Δi(t)＜0(開關佔空比大於0.5時)的現象，另外，當佔空比在0.5左右時，拋物線波形發生器6的輸出ipa(t)的平均值 也會偏大，這時應減小ΔVr使Vin減小；當Vin偏小時，會導致開關周期減小，還會出現電流誤差平均值Δi(t)＜0(開關佔空比小於0.5時)和Δi(t)＞0(開關佔空比大於0.5時)的現象，另外，當佔空比在0.5左右時，ipa(t)的平均值 也會偏小，這時應增大ΔVr使Vin增加。因此，綜合上述規律，校正單元15的輸入量可選擇Vin、ipa(t)、Δi(t)及V1。
本發明的拋物線比較PWM電流跟蹤控制器，實際上是由電流跟蹤誤差Δi(t)及其變化率大小自動調節與拋物線波形曲線ipa(t)或-ipa(t)的交點，控制開關3的PWM脈衝寬度或佔空比，以達到保持開關頻率或周期恆定的目的。
本發明原理同樣適用於三相系統。
權利要求
1.一種拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，其特徵在於該控制器包括(1)帶復位的拋物線波形發生器拋物線波形發生器輸出信號的形狀由時間與開關周期之比減去該比值的平方決定，其幅值由其輸入信號決定，該輸入信號由開關周期及PWM變換器主電路參數決定；(2)模擬反相器其作用是將來自拋物線波形發生器的輸出信號進行反相後，與反相前的拋物線波形信號一起送到模擬選擇器進行二選一選擇，然後輸出到比較器的輸入端；(3)比較器比較器的另一個輸入來自電流跟蹤誤差信號，其輸出分為三路第一路去控制主電路開關的動作信號，第二路去控制模擬選擇器，第三路作為復位信號發生器的輸入；(4)復位信號發生器用於檢測來自比較器的輸出信號，當發生正跳變或負跳變時，輸出一個窄脈衝信號，該脈衝信號連到拋物線波形發生器的復位端，使拋物線波形發生器復位，即輸出為零；(5)模擬選擇器其作用是將拋物線波形信號及模擬反相器進行反相後的拋物線波形發生器的輸出信號進行二選一選擇，輸出到比較器的輸入端。
2.根據權利要求1所述的拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，其特徵是所述拋物線波形發生器的輸入為PWM變換器主電路直流側正負母線電壓之差的一半乘以開關周期，再除以主電路與負載或電源之間的串聯電感值。
3.根據權利要求1或2所述的拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，其特徵是所述電流跟蹤誤差信號用兩個比較器分別與一個正向拋物線波形發生器輸出信號和一個負向拋物線波形發生器輸出信號進行比較，兩個比較器的輸出分別控制一個RS觸發器的R和S端，RS觸發器的輸出信號控制主電路PWM開關動作，同時RS觸發器的正/反相輸出信號分別對正向拋物線波形發生器和負向拋物線波形發生器復位。
4.根據權利要求1所述的拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，其特徵是當所述PWM變換器主電路正負母線電壓對稱時，拋物線波形發生器的輸入為PWM變換器主電路輸出開關電壓乘以開關周期，再除以主電路與負載或電源之間的串聯電感值。
5.根據權利要求1或3所述的拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，其特徵是所述拋物線波形發生器的輸入為一個基準電壓和一個校正單元輸出的綜合，該校正單元用於對拋物線波形發生器的輸入信號進行補償，選擇電流跟蹤誤差、比較器輸出、拋物線波形發生器的輸入或輸出信號作為該校正單元的輸入。
6.根據上述權利要求所述的拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，其特徵是拋物線波形發生器由兩個帶復位功能的積分器和一個減法器組成；第一個積分器的輸入為拋物線波形發生器的輸入，其輸出作為第二個積分器的輸入，通過減法器，第一個積分器的輸出減去第二個積分器的輸出作為拋物線波形發生器的輸出；兩個積分器的復位由外部復位信號控制，第一個積分器的積分時間常數等於開關周期，第二個積分器的積分時間常數等於開關周期的一半。
全文摘要
本發明提供了一種拋物線法電流跟蹤脈寬調製控制器，包括帶復位的拋物線波形發生器、模擬反相器、比較器、復位信號發生器及模擬選擇器。拋物線波形發生器輸出信號的形狀由時間與開關周期之比減去該比值的平方決定；模擬反相器將來自拋物線波形發生器的輸出信號進行反相後，與反相前的拋物線波形信號一起送到模擬選擇器進行二選一選擇，輸出到比較器的輸入端；比較器的第一路輸出控制主電路開關的動作信號，第二路控制模擬選擇器，第三路作為復位信號發生器的輸入；本發明控制器易於集成化，能使脈寬調製變換器輸出電流在一個開關周期內連續跟蹤指令電流值，同時保持開關頻率基本恆定。
文檔編號H02M1/08GK1635698SQ200410075770
公開日2005年7月6日 申請日期2004年12月30日 優先權日2004年12月30日
發明者王廣柱 申請人:山東大學