CN101499727B - 能量输出控制方法和电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量输出控制方法和电路,要解决的技术问题是控制电路输出平稳的大功率能量。本发明的方法包括:在能量输出电路中设置控制器,控制开关器件,控制器根据要求或档位,计算、设计能量输出波形,发出指令,开关器件控制变压器初级的开、关时间。本发明的电路,变压器是普通低频变压器,其初级与输入电源之间串接有开关器件,开关器件接受控制器的信号,变压器的初级两端并联接有消磁电路。本发明与现有技术相比,普通低频变压器向开关器件发出指令,控制开关器件的开、关时间,方便控制普通低频变压器输出波形和输出电压,使得可控制的输出能量范围大大的增大,输出能量平稳。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接机、加热装置、直流电动机的能量输出控制方法和电路,特别是一种能量输出的脉宽调制方法和电路。
背景技术
工业上使用的焊接机、加热装置的开关电源、直流电动机广泛使用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)电路控制输出的能量。现有技术的脉宽调制使用高频变压器来完成脉宽调制输出能量。使用高频变压器时,受到高频变压器的材料限制,有时无法达到很高的能量输出,限制了能量输出控制电路的输出能量。使用高频变压器进行PWM,当固定脉冲的时间周期Cycle,而保持频率不变时,通过改变脉冲宽度Pulse来改变占空比,从而控制输出的能量,这样在调整范围较大时,会导致关断时间Duty太大,从而使得能量的输出不平稳。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量输出控制方法和电路,要解决的技术问题是使得控制电路输出可控的、平稳的大功率能量。
本发明采用以下技术方案:一种能量输出控制方法,包括以下步骤:一、在能量输出电路中设置控制器,用于控制能量输出电路的开关器件;二、控制器根据用电器对输出能量的要求或操作者选定的输出能量的预先设定档位,计算出要求输出的能量波形;三、控制器根据能量波形设计预想的能量输出波形;四、控制器根据预想的能量输出波形向开关器件发出指令,开关器件控制变压器初级的开、关时间。
本发明的控制器测量普通变压器的输出特性曲线并存储在控制器或与其连接的存储器内。
本发明的变压器是普通低频变压器。
本发明的控制器接收变压器输出端的反馈信号,对预想的能量输出波形进行调整。
本发明变压器的开关时间脉冲波形脉冲宽度逐渐增大、逐渐减小或保持不变。
本发明变压器次级输出的脉冲波形的关断时间大于变压器的最小消磁时间。
本发明的控制器按照以下方法计算脉冲宽度、关断时间、开关控制时序:一、从能量波形的最尾段时间点te开始,设置前次脉冲起始时间点to为最尾段时间点te,当前时间点tw为最尾段时间点te,时间点序号n为0;二、根据当前时间点tw的电压值v,计算开通时间tn;当电压值v=最大电压值Vmax,脉冲的时间起始点to=水平直线波形的起始时间点,开通时间tn=当前时间点Tw-脉冲的时间起始点to;当电压值v<最大电压值Vmax,开通时间tn=最小开通时间t,脉冲的时间起始点to=当前时间点tw-最小开通时间t-最小消磁时间Tc;三、时间点序号n加1,当前时间点tw=前次脉冲的时间起始点to;四、重复上述2-3步骤的计算,直至当前时间点tw=0,即到能量波形的开始时间点。
一种能量输出控制电路,具有变压器,所述变压器是普通低频变压器,变压器的初级与输入电源之间串接有开关器件,开关器件接受控制器的控制信号,变压器的初级两端并联接有消磁电路。
本发明变压器的次级接有滤波电路。
本发明滤波电路与控制器之间连接有电压反馈电路。
本发明与现有技术相比,采用普通低频变压器,利用控制器计算能量输出波形,向开关器件发出指令,控制开关器件的开、关时间,方便控制普通低频变压器输出波形和输出电压,使得可控制的输出能量范围大大的增大,输出能量平稳。
附图说明
图1是普通变压器调变的电路原理图(一)。
图2是变压器的输出特性曲线(一)。
图3是现有技术的脉宽调制(PWM)脉冲波形图。
图4是本发明实施例的普通变压器调变(TOM)电路原理图(二)。
图5是变压器的输出特性曲线(二)。
图6是普通变压器输出调变的脉冲波形图。
图7-1是本发明方法测得的变压器输出特性曲线图。
图7-2是本发明方法中要求输出的能量波形图。
图7-3是本发明方法中预想输出的脉冲波形图。
图7-4是本发明方法中控制开关时间的脉冲波形图。
图7-5是本发明实施例输出的能量波形图。
图8是本发明应用在交流逆变焊接机的电路原理图。
图9是本发明应用在新型开关电源的电路原理图。
图10是本发明应用在直流电动机调速的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图3所示,现有技术的脉宽调制,当脉冲周期固定,频率不变时,脉冲的占空比为:脉冲宽度/关断时间,通过改变脉冲宽度而改变占空比,控制输出的能量,在调整范围太大时,可能会出现关断时间太大,从而使得能量的输出不太稳定。如图2所示,本发明的能量输出控制电路,利用普通变压器的输入输出基本特性,即在变压器初级输入电压V0一定时,变压器次级输出电压V,会随开关器件的开通时间T发生变化,输出电压V从开始的输出为0逐渐呈上升状态,到达饱和时呈现稳定输出的状态,该时间范围在0到几个毫秒ms之间,一般不超过10ms,以避免变压器磁化。输出电压V达到饱和需要的时间称为输出饱和时间Tb。本发明实施例采用的变压器饱和时间Tb范围在0~1ms之间,变压器的响应频率在1KHz以下。为方便描述,变压器输出随时间变化的曲线称为“输出特性曲线”(简称“VT曲线”)。
如图1所示,本发明采用普通低频变压器4,变压器4的次级为能量输出端,变压器4的初级与输入电源之间串接有开关器件2,开关器件2接受控制器MCU1的控制信号,变压器4的初级两端并联接有消磁电路3,用于将普通低频变压器在关断时的反压消除,避免对输出波形的影响,并保护开关器件2。本发明将变压器使用范围扩展到其响应频率范围之外,对应变压器的VT曲线,由中央控制器MCU 1控制开关器件2的开、关,从而控制普通低频变压器4的通断时间,最终实现控制普通低频变压器4的输出波形。
本发明实施例采用普通低频变压器的输出饱和时间Tb范围为0~3ms,较适于单片机通过开关器件来控制变压器通断时间,实现调整输出电压V的目的。本发明也适用于高频变压器,而高频变压器的Tb范围较小,使用单片机控制相对普通低频变压器较为困难些。
如图4所示,为得到需要的能量输出波形,在变压器4的次级接有滤波电路5,根据不同的占空比,转换成不同的输出电压。
如图5所示,变压器VT曲线可以通过测量来确定,不断改变变压器的初级开关时间T(微秒us级),测量变压器次级的输出电压V,即可得到变压器VT曲线。根据变压器VT曲线,如图6所示,改变脉冲宽度Pulse时间,即变压器的开通时间,即可控制变压器的输出电压V:
1、当Pulse<=Tb,如图5中的t0,在开通时间内,变压器的输出电压将从0变化到Vo(对应时间t0);
2、当Pulse>Tb,如图5中的t1,在开通时间内,变压器的输出电压将从0变化到饱和值Vmax(对应时间Tb),并一直保持为Vmax。
本发明的能量输出控制电路只需控制脉冲关断时间Duty,可以不需要考虑脉冲的频率问题。关断时间Duty,必须大于变压器的消磁时间Tc。否则可能出现变压器的剩磁影响变压器的输出,或变压器长期不消磁,导致变压器永久磁化的不良效果。影响消磁时间Tc的因素包括变压器的结构及材料,保护电路、消磁电路。消磁时间Tc需按具体的变压器、电路确定。由于消磁时间Tc小于PWM中的时间Duty,所以变压器的输出更加稳定。
本发明的能量输出控制方法,包括以下步骤:一、在能量输出电路中设置控制器,用于控制能量输出电路的开关器件;二、控制器测量普通低频变压器的输出特性曲线并存储在与其连接的存储器内,输出特性曲线如图7-1所示,输出电压开始逐渐上升,至饱和值后为水平直线;三、控制器根据用电器对输出能量的要求或操作者选定的输出能量的预先设定档位,计算出要求输出的能量波形图,如图7-2所示,该图形为折线构成,开始为输出值逐渐增大,到饱和值后呈一水平直线,结束时输出为0;四、控制器根据能量波形图设计预想的能量输出波形图,如图7-3所示,该图开始为锯齿状,输出幅度逐渐增大,到饱和值后呈一水平直线,结束时输出为0;五、控制器向开关器件发出指令,开关器件控制普通低频变压器初级的开、关时间,在变压器次级输出波形调变的脉冲波形,如图7-4所示,变压器次级输出的脉冲波形脉冲宽度逐渐增大,到饱和值后呈一水平直线,结束时输出为0。
控制器按照以下方法计算脉冲宽度、关断时间、开关控制时序:
1、设置前次脉冲起始时间点to为最尾段时间点te,当前时间点tw为最尾段时间点te,时间点序号n为0;
2、根据当前时间点tw的电压值v,计算开通时间tn;当电压值v=最大电压值Vmax,脉冲的时间起始点to=水平直线波形的起始时间点,开通时间tn=当前时间点Tw-脉冲的时间起始点to;当v<Vmax,开通时间tn=最小开通时间t,脉冲的时间起始点to=当前时间点tw-最小开通时间t-最小消磁时间Tc;
3、时间点序号n加1,当前时间点tw=前次脉冲的时间起始点to;
4、重复上述2-3步骤的计算,直至当前时间点tw=0,即到能量波形的开始时间点;
这样存储器已经记下n个时间点,依次为t0,t1…tn-1。实现一个能量输出波形的过程。
控制器按以下次序给出开关时间的时序指令,控制开关器件开、关动作:
1、开关器件关闭;设置序号m=n-1;
2、开关器件开通,时间为tm;开关器件关闭,时间为最小消磁时间Tc;
3、设置序号m=当前序号m-1,开始新的一次开关,开关器件开通,时间为tm;开关器件关闭,时间为最小消磁时间Tc;
4、重复上述步骤3,直至m<0。按照以上方法和步骤,可以控制变压器的输出波形。由于变压器固有的电感特性,实际的输出波形要比图7-3所示的图形要好一些,见图7-5所示,输出的波形会平滑一些。
本发明的方法将消磁时间Tc调整到最小,可以保证输出的波形,形成一个稍微有波纹的直流电源,而不需要整流电路。这样就提供了一个方便的、产生大功率、可控的直流电源。
实施例1,如图8所示,本发明的能量输出控制电路用于交流逆变大功率焊接机的输出电路,直接采用交流电源,通过桥式整流、滤波电路6后,将形成的直流电源充入大容量的电容,用电容充放电、电压调整电路7调整电容的电压到需要的电压后,控制器1根据变压器VT曲线、及需要的能量输出波形,调整开关器件2的控制脉冲的波形,就可以得到需要的输出波形。采用MCU,可以在一台焊接机上实现各种各样的能量输出波形。本实施例由于采用交流电源,开关器件需采用耐高压、大电流的器件,如IGBT等。加上采用普通的变压器,功率可以做到很大。这个实例中的焊接机的最大优点是焊机能量输出的波形可以调整。
本实施例中,交流逆变大功率焊接机功率7kVA,变压器的功率为7kVA,初级55圈绕组,次级为2圈绕组,初级为2.8mm漆包线,次级为4.5mm,宽25mm的红铜片铜包,开关器件采用日本富士公司的IGBT,型号为2MBI200L-060,控制器采用美国爱特梅尔ATMEL公司Atmega128-16u,消磁电路采用反向二级管电路,电压调整电路输出电压为0至280V DC。
实施例2,如图9所示,本发明的能量输出控制电路用于开关电源或大功率的直流调压控制装置,交流电源通过桥式整流、滤波电路6及电容充放电、电压调整电路7后,形成一个电压值V可变的直流电源,在变压器的次级不需要整流电路,变压器4的次级接有滤波电路5,可以保证得到较好品质的输出电源。电压反馈电路8从滤波电路5提取信号至控制器1。控制器1根据变压器VT曲线、需要的电源输出电压值,以及电压反馈电路8的信息,调整开关器件2的控制脉冲的波形,可以得到0到最大输出电压的相当宽范围的直流电源。由于现有技术的很多MCU,已经有较好的模数转换AD功能,本电路的电压反馈功能成本极低。
通过调整电压值V,及开关器件的控制脉冲的波形,这是一般的PWM开关电源无法达到的功能。
本实施例中,开关电源或大功率的直流调压控制装置,功率1000瓦,变压器的功率为1kVA,初级78圈绕组,次级为2圈绕组,初级为1.8mm漆包线,次级为2.0mm漆包线,开关器件采用日本富士公司的IGBT,型号为2MBI60L-060,控制器采用美国爱特梅尔ATMEL公司Atmega16-8u,消磁电路采用反向二极管电路,RC滤波电路,用Atmega16-8u的AD功能实行电压反馈,采用电压调整电路输出电压为0到280V DC。
实施例3,如图10所示,本发明的能量输出控制电路用于直流电动机调速电路,控制器1根据变压器VT曲线、所需要的直流电动机速度曲线,以及电压反馈8的信息,调整开关器件2的控制脉冲的波形,得到需要的电压输出。变压器次级的滤波电路5可以使直流电动机转动平稳。
在一般的直流电动机调速电路中,对电压反馈的要求不高,有的甚至不需要。在这种情况下,由于现有技术的很多MCU,已经有较好的模数转换功能AD功能,因此本实施例电路的电压反馈功能成本极低。若采用更高品质的电压反馈电路8,通过开关器件2实时调整变压器4的输出脉冲波形,可以将直流电动机9的速度曲线控制在较高的精度上。
使用本发明的能量输出控制电路,可以容易实现直流电动机的无级调速,并实时控制电动机的速度曲线。
本实施例中,直流电动机采用深圳市标马电机有限公司的12V/24V F280电机,15V/220V 20W变压器,开关器件采用国际整流器公司的IRG4PC60F,控制器采用美国爱特梅尔ATMEL公司Atmega16-8u,消磁电路采用反向二级管电路,RC滤波电路,用Atmega16-8u的AD功能实现电压反馈。
Claims (1)
1.一种能量输出控制方法,包括以下步骤:一、在能量输出电路中设置控制器,用于控制能量输出电路的开关器件;二、控制器根据用电器对输出能量的要求或操作者选定的输出能量的预先设定档位,计算出要求输出的能量波形;三、控制器根据能量波形设计预想的能量输出波形;四、控制器根据预想的能量输出波形向开关器件发出指令,开关器件控制变压器初级的开、关时间;
所述控制器测量变压器的输出特性曲线并存储在控制器或与其连接的存储器内;
所述变压器是普通低频变压器;
所述控制器接收变压器输出端的反馈信号,对预想的能量输出波形进行调整;
所述变压器的开关时间脉冲波形脉冲宽度逐渐增大、逐渐减小或保持不变;
所述变压器次级输出的脉冲波形的关断时间大于变压器的最小消磁时间;
所述控制器按照以下方法设计预想的能量输出波形:一、从能量波形的最尾段时间点(te)开始,设置前次脉冲的时间起始点(to)为最尾段时间点(te),当前时间点(tw)为最尾段时间点(te),时间点序号(n)为0;二、根据当前时间点(tw)的电压值(v),计算开通时间(tn);当电压值(v)=最大电压值(Vmax),脉冲的时间起始点(to)=变压器输出电压达到饱和值的起始时间点,开通时间(tn)=当前时间点(tw)-脉冲的时间起始点(to);当电压值(v)<最大电压值(Vmax),所述最大电压值为变压器的输出电压饱和值,开通时间(tn)=最小开通时间(t),脉冲的时间起始点(to)=当前时间点(tw)-最小开通时间(t)-最小消磁时间(Tc);三、时间点序号(n)加1,当前时间点(tw)= 前次脉冲的时间起始点(to);四、重复上述二—三步骤的计算,直至当前时间点(tw)=0,即到能量波形的开始时间点;
所述能量输出控制方法采用能量输出控制电路实现,所述能量输出控制电路的变压器是普通低频变压器,变压器的初级与输入电源之间串接有开关器件,开关器件接受控制器的控制信号,变压器的初级两端并联接有消磁电路;
所述变压器的次级接有滤波电路;
所述滤波电路与控制器之间连接有电压反馈电路;
所述变压器的功率为7kVA,初级55圈绕组,次级为2圈绕组,初级为2.8mm漆包线,次级为4.5mm,宽25mm的红铜片铜包,开关器件采用2MBI200L-060,控制器采用Atmega128-16u,消磁电路采用反向二级管电路;
或,所述变压器的功率为1kVA,初级78圈绕组,次级为2圈绕组,初级为1.8mm漆包线,次级为2.0mm漆包线,开关器件采用2MBI60L-060,控制器采用Atmega16-8u,消磁电路采用反向二极管电路,所述滤波电路为RC滤波电路,用Atmega16-8u的AD功能实行电压反馈;
或,所述变压器采用15V/220V 20W变压器,开关器件采用IRG4PC60F,控制器采用Atmega16-8u,消磁电路采用反向二级管电路,RC滤波电路,用Atmega16-8u的AD功能实现电压反馈。
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