CN100527038C - 连续量的时间离散控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续量(I₁)的时间离散控制。为了实现时间离散控制的高分辨率并且为了避免出现由于低频效应产生的不稳定控制，向时间离散控制中包含的至少一个信号引入人为的、变化的扰动。相应的控制电路设有适合于进行连续量(I₁)的时间离散控制的部件(10-14)，此外还设有适合于向控制电路中的至少一个信号引入人为的、变化的扰动的至少一个部件(20，21)。

Description

连续量的时间离散控制

技术领域

本发明涉及改善连续量的时间离散控制的方法。本发明同样涉及包括适合于进行连续量的时间离散控制的部件的控制电路、以及包括这样的控制电路的器件和仪器。

背景技术

许多电子器件或者系统需要控制连续量，例如提供给特定部件的电流。

今天，这样的连续量经常是借助于时间离散控制电路进行控制的。时间离散控制电路的例子是具有信号处理器或可编程逻辑部件的数字控制器。时间离散控制电路的优点是它们是成本有效的。它们允许实现极其复杂的控制过程，这样的过程是利用常规的模拟电路不可能可靠地实现的。当然，时间离散控制电路还是有缺点的，它们不能在任何任意的时间点对于被控的连续量的数值相对于参考信号值的偏差做出反应。相反，它们只能在预先确定的阶段做出反应，这个阶段称之为采样阶段。采样阶段通常分开预先确定的最小时间单位的倍数，即，在其中实现时间离散控制电路的系统的时钟周期。

与在连续的时间刻度进行操作的常规的控制电路不同，被控量的数值相对于参考信号数值的偏差只在下一个采样阶段导致时间离散控制电路的响应。同时，控制误差进一步积累。在某些控制系统中，这可能导致循环重复的控制误差，这又导致控制质量的显著下降。这对于在原点具有极点的传输函数的那些控制系统来说尤其真的。误差越大，时钟周期相对于被控系统的动态状况越长。

下面参照图1比较详细地说明所述的问题。图1是用于超高压(UHP)灯的电源模块的示意电路图，超高压灯连接到模块的输出端。

电源模块包括两个串联连接在直流电压源V_DC和地GND之间的两个开关元件S₁、S₂。在两个开关元件S₁、S₂之间的连接还经过线圈L₁和电容C_filt连接到地GND。线圈L₁和电容器C_filt形成一定截止频率的低通滤波器。超高压灯作为负载R并联连接到电容器C_filt，提供电压V_L。在负载R上的电压V_L是正的，小于电源电压V_DC。这是通过交替地接通和断开第一开关元件S₁和第二开关元件S₂实现的。电容器C_filt的滤波效果要足够地大以保证负载R只看见一个很小的交流电流。这就是说，该滤波器的截止频率要明显低于电路的操作频率。

为了根据需要控制开关元件S₁、S₂，要提供一个控制电路。控制电路包括电流检测器10、比较器11、延迟元件12、第一反相驱动器13、和第二驱动器14。电流检测器10检测通过线圈L₁的电流I₁，向比较器11的第一输入端提供最终的测量值。参考值I_ref输入到比较器11的第二输入端。比较器11比较在它的输入端接收的数值，并且输出对应的控制信号给延迟元件12。延迟元件12一方面向第一反相驱动器并且另一方面向第二驱动器14传递具有预定延迟的控制信号。第一反相驱动器13以放大延迟的控制信号控制第一开关元件S₁，第二驱动器14以放大并且反相的延迟控制信号控制第二开关元件S₂。

只要第一开关S₁闭合，电源电压V_DC超过电容器C_filt两端的电压，并且因此超过负载R两端的电压V_L，则通过线圈L₁的电流I₁将要增加。当比较器11检测到代表通过线圈L₁的电流I₁的测量值超过参考值I_ref时，则在由延迟元件12引起的预定延迟ΔT之后，第一开关元件S₁断开，第二开关元件S₂接通。

这种切换出现的电流I_S1，off由以下方程给出：

$I_{S1,\mathrm{off}}=I_{\mathrm{ref}}+\frac{V_{\mathrm{DC}}-V_L}{L_1}\mathrm{\ΔT}$

作为切换的结果，通过线圈L₁的电流I₁将再一次地减小，一直到比较器11检测到参考值I_ref超过了代表再一次通过线圈L₁的电流I₁的测量值时为止。在由延迟元件12引起的预定延迟ΔT过后，第二开关元件S₂再一次切断，并且第一开关元件S₁再一次接通。

这种切换出现的电流I_S2，off由以下方程给出：

$I_{S2,\mathrm{off}}=I_{\mathrm{ref}}-\frac{V_L}{L_1}\mathrm{\ΔT}$

所述的切换连续地重复，使电源模块以一个特征频率进行操作。这个频率f由下式给出：

$f=\frac{1}{\mathrm{\ΔT}}\frac{V_L}{V_{\mathrm{DC}}}(1-\frac{V_L}{V_{\mathrm{DC}}})$

可以按照时间离散方式建立这样一种电源模块的控制部分，例如通过借助于按照固定的时钟频率操作的计数器实现延迟元件12这样做。然而，这就意味着，在最不利的情况下，实际的延迟刚好是长于期望的延迟ΔT的一个时钟周期t_C。如果在采样阶段之后立即发生比较器事件，将会发生上述这种情况。按照最大值的真正电流，这将导致误差ΔI_S1，off，ΔI_S2，off：

$\mathrm{\Δ}{I}_{S1,\mathrm{off}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}-V_L}{L_1}{t}_c$

${\mathrm{\ΔI}}_{S2,\mathrm{off}}=\mathrm{\Δ}{I}_{S1,\mathrm{off}}+\frac{-V_L}{L_1}{t}_c=\frac{V_{\mathrm{DC}}-2V_L}{L_1}{t}_c$

当电流按照线性的时间刻度变化时，可由下式确定输出电流的平均误差ΔI：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{I}=\frac{1}{2}({\mathrm{\ΔI}}_{S1,\mathrm{off}}+\mathrm{\Δ}{I}_{S2,\mathrm{off}})$

$=\frac{{2V}_{\mathrm{DC}}-3V_L}{2L_1}{t}_c$

这个误差影响随后的操作循环，并且引起随时间重复的图形。这种图形的特征频率取决于电源电压V_DC和在电源模块输出端提供的电压V_L之间的关系。这个特征频率是如此地低，以致于电容器C_filt的滤波器性质无法保持这个特征频率离开负载R。结果，显著地增加了提供给负载R的直流的残留纹波。甚至于有可能激发滤波器的谐振频率，导致甚至于更大的增加电流纹波。

减轻上述问题的方案可以是增加控制电路的时钟频率，从而与常规的连续模式控制电路相比不会产生任何明显的误差。但最终这将导致不切实际的高采样速率，这又带来了高电流消耗、高成本、以及高电磁辐射形式的新问题。

发明内容

本发明的一个目的是改善连续量的时间离散控制的质量。

提出了一种改善连续量的时间离散控制的方法，这个方法包括：向在时间离散控制中包含的至少一个信号引入一个人为的、变化的扰动。

此外，提出一种控制电路，所述控制电路包括适合于进行连续量的时间离散控制的部件，此外，至少一个部件适合于向控制电路中的至少一个信号引入人为的变化的扰动。

最后，提出了一种包括这样一种控制电路的器件和一种包括这样一种控制电路的仪器。

本发明基于如下的构思：如果有意地扰动在时间离散控制中包含的至少一个信号，则可以移动重复图形的特征频率，例如超过所用滤波器的截止频率。

本发明的优点是，本发明在不增加时钟频率的条件下可以改善时间离散控制的质量，即，可以实现较高分辨率的控制并且可以避免由于以低的频率重复的误差图形产生的不稳定的控制。实施本发明所需的附加成本或者是微小的，或者根本没有。

可以将人为的、变化的扰动引入到时间离散控制中包含的各种不同的信号上，因此可以引入到控制电路的各个不同的位置。例如，扰动可以引入到代表要进行控制的连续量的测量值的信号上，相应地，可以将扰动施加到所建议的控制电路的测量值的输入端。而且，例如可将扰动引入到代表用于检测连续量的值与期望值之间的偏差的参考值的信号上。相应地，可将扰动引入到所建议的控制电路的参考信号的输入端上。而且，例如可将扰动引入到用于调节连续量到期望值的信号上。相应地，可将扰动施加到控制电路的控制信号的输出端上。

进一步还可以按照各种不同的方式引入人为的、变化的扰动。例如，可以通过向时间离散控制中包含的至少一个信号附加变化的扰动信号来引入扰动。这样一种扰动信号例如可以通过噪声发生器产生，或者通过伪噪声发生器产生。此外，例如可以通过用可变的时间延迟来延迟在时间离散控制中包含的至少一个信号来引入扰动。

在本发明的一个实施例中，人为扰动的频率与时间离散控制的操作频率同步，即，与提供控制信号的频率同步。这样做的好处是，可以排除低频的互调产物。如果时间离散控制例如包括切换至少一个开关元件以便控制一个连续量，那么，通过从至少一个开关元件的切换频率的频率分割中导出变化的扰动，就可以实现同步。

本发明特别适合于如下的情况：使用时间离散控制是为了切换至少一个开关元件，所述开关元件向低通滤波器提供电流，在这里这个电流构成了要被控制的连续量。有益地，将人为的、变化的扰动的特征频率设置成高于低通滤波器的截止频率并且低于至少一个开关元件的切换频率。由此，可以保证，扰动频率对于被低通滤波器过滤掉来说是足够高的，并且对于避免出现连续量的实际控制的失真来说是足够低的。

通过保证人为的变化的扰动的平均值为0可以避免由于人为的变化的扰动产生的偏移误差。

本发明可以在任何时间离散控制系统中实施。所提出的控制电路例如可以在借助于按离散的时间刻度操作的控制电路控制连续量的任何器件或仪器中实现。仪器例如可以是一个投影仪，器件例如是这个投影仪中的电源模块。连续量例如可以是电流，是电源模块向投影仪的投影灯提供的电流。

附图说明

参考参照附图描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得到说明。

图1是常规的超高压灯的电源模块的与超高压灯相连的相关部分的示意电路图；

图2是按照本发明的超高压灯的电源模块的与超高压灯相连的相关部分的第一实施例的示意电路图；

图3是流程图，说明图2的电源模块的控制部分的操作；

图4是典型的扰动信号发生器的方块图，扰动信号发生器可用在图2的电源模块中；

图5是按照本发明的超高压灯的电源模块的与超高压灯相连的第二实施例的示意电路图；

图6是流程图，说明图5的电源模块的控制部分的操作。

具体实施方式

图2是包括超高压灯的电源模块的相关部分和与电源模块相连的超高压灯的一个系统的示意电路图。这个系统例如可以是投影仪2的一部分，由虚线表示。电源模块包括一个控制电路，它能够按照本发明的第一实施例实现高质量的控制。

电源模块包括两个串联连接在直流电压源V_DC和地GND之间的两个开关元件S₁、S₂。在两个开关元件之间的连接还经过线圈L₁和电容C_filt连接到地GND。超高压灯作为负载R并联连接到电容器C_filt，提供电压V_L。

开关元件S₁、S₂由电源模块的控制电路控制。为此，控制电路包括一个电流检测器10，电流检测器10测量通过线圈L₁的电流I₁。电流检测器10经过求和元件20连接到比较器11的第一输入端。扰动信号发生器N21向求和元件20提供第二输入。参考值I_ref加到比较器11的第二输入端。比较器11的输出端连接到延迟元件12。延迟元件12一方面连接到第一反相驱动器13，第一反相驱动器13可以对第一开关元件S₁进行控制访问，并且延迟元件12另一方面连接到第二驱动器14，第二驱动器14可以对第二开关元件S₂进行控制访问。延迟元件12的输出端进一步可以任选地反向耦合到扰动信号发生器21的控制输入端，这在图2中用虚线表示之。

除了扰动信号发生器21和求和元件20以外，这个电源模块的结构因而与图1相同，并且对于相应的部件使用相同的参考符号。

像在常规的电源模块一样，借助于开关元件S₁和S₂的相反控制(opposite control)，可以向下变换可利用的直流电压V_DC。通过电容器C_filt平滑通过线圈L₁的最终电流，从而可以将一个所需数值的正向的直流电压V_L施加到超高压灯上。通过改变切换比可以调节电压V_L的数值。电容器C_filt的大小要足够地大，以便保证加到超高压灯上的电流的残留交流分量只是一个很小的值。

下面参照图3描述借助于控制电路对于开关元件S₁和S₂的控制。

为了控制开关元件S₁和S₂，要通过电流检测器10测量通过线圈L₁的电流I₁。与参照图1提供的常规系统不同，测量值首先提供给求和元件20，在这里将扰动信号发生器21提供的扰动信号加到测量值上。在本发明的第一实施例中，求和元件20和扰动信号发生器21构成了控制电路的部件，控制电路将一个扰动引入到时间离散控制中包含的信号上。

比较器11现在比较求和的数值与参考值I_ref。在求和值从前小于参考值I_ref并且比较器11检测到求和值升高到大于参考值I_ref的情况下，比较器11输出低值。在求和值从前大于参考值I_ref并且比较器11检测到求和值降低到小于参考值I_ref的情况下，比较器11输出高值。在所有其它的情况下，比较器11输出与以前相同的值，所描述的测量、求和与比较继续进行，没有进一步的结果。

延迟元件12延迟比较器11的输出，延迟时间近似地为ΔT。更加具体地说，延迟元件12是一个计数器，用于计数这个系统的时钟信号的预定数目n，在这里，t_c是系统的时钟周期，ΔT＝t_c*n。虽然根据计数器的触发阶段，实际所加的延迟可能还增大了高到一个时钟周期t_c，但是，由于所加的扰动信号，还是附加地改变了触发阶段。延迟的信号提供给第一反相驱动器13以放大延迟的信号至适当的数值，延迟的信号还提供给第二驱动器14以放大延迟的信号至适当的数值并且反相。然后，第一反相驱动器13和第二驱动器14的输出用于控制开关元件S₁和S₂。

如果对应的驱动器13、14的输出是高电平，相关的开关元件切换成导通或保持导通，如果对应的驱动器13、14的输出是低电平，相关的开关元件切换成断开或保持断开。

一方面要选择由扰动信号发生器21向求和元件20提供的扰动信号的特征频率，以使在高于由线圈L₁和电容器C_filt形成的低通滤波器的截止频率的任何情况下所述特征频率是足够地高。另一方面，要选择扰动信号的特征频率，以使所述特征频率低于电源模块的实际操作频率，即，低于最终的切换频率。进而，还要选择扰动信号，以使其平均值是0，从而可以避免偏移误差。这些要求例如利用噪声发生器或者伪噪声发生器可以得到满足。利用所提出的扰动信号的特征频率可以保证：避免出现不可能通过由线圈L₁和电容器C_filt形成的低通滤波器滤掉的低频的可能的重复图形，同时，由于线圈L₁和电容器C_filt的滤波性质，对于电源的实际控制不会产生明显的影响。

如果扰动信号的特征频率此外还要与系统的操作频率同步，则可保证：可以排除附加的低频互调产物。

图4借助于实例表示产生极简单的扰动信号的扰动信号发生器N21，扰动信号与电源模块的操作频率同步。扰动信号发生器21包括一个反向耦合的单边触发的D触发器30、电容器C、和放大器31，它们相互串联连接。扰动信号发生器21并且因此还有触发器30接收延迟元件12的输出信号，以此作为输入信号，其确定电源模块的操作频率。触发器30输出扰动信号，扰动信号的频率刚好是电源模块的操作频率的一半。电容器C阻止扰动信号中出现直流分量。放大器31用于设定扰动信号的合适幅度，这个幅度不应太大。放大器31的输出构成了扰动信号发生器21的输出，扰动信号发生器21连接到求和元件20。

参考信号I_ref以类似的方式与扰动信号混合。

图5是包括用于超高压灯的电源模块的另一个系统的示意电路图，超高压灯与这个电源模块相连。在这种情况下，电源模块包括一个控制电路，这个控制电路按照本发明的第二实施例实现高质量的控制。对于这个第二实施例，不需要任何模拟电路部件。相反，本发明是通过数字部件实现的。

电源模块又包括两个开关元件S₁和S₂、线圈L₁和电容器C_filt，它们的排列和操作方式与图2中所示的实施例完全相同。而且，超高压灯与电容器C_filt并联又作为一个负载R进行连接。

此外，测量流过线圈L₁的电流的电流检测器10连接到比较器11的第一输入端，参考值I_ref提供给比较器11的第二输入端。比较器11的输出端连接到第一延迟元件12。第一延迟元件12的输出一方面经过第二延迟元件50连接到第一反相驱动器13，另一方面经过第三延迟元件51连接到第二驱动器14。第二和第三延迟元件50、51这两者都可以接通和断开。第二延迟元件50和第三延迟元件51的延迟时间是系统的时钟周期t_c的整数倍，并且分别记做n₁t_c和n₂t_c。在当前的实施例中，例如假定，在负载R两端的电压V_L的范围在电源电压V_DC的1/4到1/3。在这个特定的情况下，已选择n₁＝1和n₂＝2的有利值。

简单的分频器52可对第二和第三延迟元件50、51进行控制访问。分频器52又受到第一延迟元件12的输出的控制。

现在参照附图6描述借助于这个控制电路对于开关元件S1和S2进行的控制。

为了控制开关元件S₁和S₂，通过电流检测器11测量流过线圈L₁的电流I₁。测量值提供给比较器11，比较器11比较测量值与参考值I_ref。在测量值先前小于参考值I_ref并且比较器检测到测量值升高到大于参考值I_ref的情况下，比较器11输出低值。在测量值先前大于参考值I_ref并且比较器检测到测量值下降到小于参考值I_ref的情况下，比较器11输出高值。在所有的其它情况下，比较器11输出与先前相同的数值，所述的测量、求和、和比较是连续进行的，没有进一步的结果。

延迟元件12延迟比较器的输出，延迟时间为ΔT。更加具体地说，延迟元件12是一个计数器，用于计数这个系统的时钟信号的预定数目n，在这里，t_c是系统的时钟周期，ΔT＝t_c*n。根据计数器的触发阶段，实际所加的延迟可能还增大了高达一个时钟周期t_c。

延迟的信号经过第二延迟元件50提供给第一反相驱动器13以放大至适当的数值，延迟的信号还经过第三延迟元件51提供给第二驱动器14以放大至适当的数值并且反相。由第二延迟元件50和第三延迟元件51所加的实际延迟取决于由延迟元件12的输出所代表的转变的方向。在从低值转变到高值的情况下，延迟的信号还要延迟n₁个时钟周期；在从高值转变到低值的情况下，延迟的信号还要延迟n₂个时钟周期。第二延迟元件50和第三延迟元件51只在它们由分频器52接通的情况下才在将接收的信号传递到相应的驱动器之前延迟接收的信号。第一反相驱动器13和第二驱动器14的输出用于控制开关元件S₁、S₂。如果对应的驱动器13、14的输出是高电平，相关的开关元件S₁、S₂接通，如果对应的驱动器13、14的输出是低电平，相关的开关元件S₁、S₂断开。

为了控制第二延迟元件50和第三延迟元件51，分频器52按照预定的因子(例如2)分割由第一延迟元件12提供的信号的频率，并且以最终得到的经过分割的频率并联接通和断开第二和第三延迟元件50、51。

因此，在由第一延迟元件12输出的信号中，由于它的时间离散操作产生的低频的可能的重复图形可由高得多的频率代替。结果，明显地提高了先前极低的重复频率，改善了电流控制的有效分辨率。通过由线圈L₁和电容器C_filt形成的低通滤波器，过滤掉任何最终的高重复频率。

因此，在本发明的第二实施例中，分频器52、第二延迟元件50、和第三延迟元件51构成了控制电路的部件，控制电路将一个扰动引入到在时间离散控制中包含的信号上。

总之，所有提供的实施例都利用了电源模块的滤波器性质，通过引入一个扰动信号人为地实现较高的分辨率。因此，抵消了低频重复的误差图形的影响。

应该理解，所述的本发明的实施例只代表本发明的大量可能的实施例中的某一些。而且，权利要求书中的参考符号并不限制权利要求的范围，只是为了便于对于权利要求书的理解。进而还应该理解，在权利要求中的术语“包括”不排除存在其它的元件或步骤，权利要求中的术语“一个”并不排除存在多个。

Claims (9)

1.一种改善连续量(I1)的时间离散控制的方法，所述方法包括：向在所述时间离散控制中包含的至少一个信号引入一个人为的、变化的扰动，

其中所述变化的扰动是通过以下一组中的一个或多个操作而引入的：

向所述时间离散控制中包含的至少一个信号附加变化的扰动信号，其中所述变化的扰动信号是借助于噪声发生器或伪噪声发生器(21)产生的，并且在所述变化的扰动信号中避免重复的图形；

用变化的时间延迟(n₁t_e，n₂t)来延迟在所述时间离散控制中包含的至少一个信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中向代表所述的连续量(I₁)的测量值的信号、代表用于检测所述连续量(I₁)的值与期望值之间的偏差的参考值(I_ref)的信号、用于调节所述连续量(I₁)到期望值的信号的至少一个信号引入所述人为的、变化的扰动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述人为的扰动与所述时间离散控制的操作频率同步。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间离散控制包括切换至少一个开关元件(S₁，S₂)以便控制所述的连续量(I₁)，并且其中：所述至少一个人为的、变化的扰动是从所述至少一个开关元件(S₁，S₂)的切换频率的频率分割导出来的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间离散控制包括切换至少一个开关元件(S₁，S₂)，至少一个开关元件(S₁，S₂)向低通滤波器(L₁，C_filt)提供电流(I₁)，所述电流(I₁)构成了要被所述时间离散控制来控制的所述连续量，其中：将所述人为的、变化的扰动的特征频率设置成高于所述低通滤波器(L₁，C_filt)的截止频率，并且其中将所述至少一个人为的扰动信号的特征频率设置成低于所述至少一个开关元件(S₁，S₂)的切换频率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个人为的、变化的扰动的平均值是0。

7.一种控制电路，包括适合于对于连续量(I₁)进行时间离散控制的部件(10-14)，至少一个部件(20，21)适合于向所述控制电路中的至少一个信号引入人为的、变化的扰动，

其中所述变化的扰动是通过以下一组中的一个或多个操作而引入的：

向所述时间离散控制中包含的至少一个信号附加变化的扰动信号，其中所述变化的扰动信号是借助于噪声发生器或伪噪声发生器(21)产生的，并且在所述变化的扰动信号中避免重复的图形；

用变化的时间延迟(n₁t_c，n₂t)来延迟在所述时间离散控制中包含的至少一个信号。

8.一种包括根据权利要求7所述的控制电路的器件。

9.根据权利要求8所述的器件，其中所述的器件是电源模块(S₁，S₂，L₁，C_filt，10-14，20，21)，用于向负载(R)提供预定的电流，并且其中由所述控制电路控制的所述连续量是由所述电源模块(S₁，S₂，L₁，C_filt，10-14，20，21)提供的电流(I₁)。

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