CN101855818B - 用于脉冲采样控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热表面点火器(HSI)控制器，其无变压器并且能够输送来自一120/240V交流有效值(RMS)电源电压的电力，例如，送至一标称工作电压等于24V交流有效值的负载，例如，正弦全波交流电压。该控制器提供一脉冲范围，该脉冲范围主要设计为输送电力至具有充分热电子惯性和质量的热表面点火器有功负载，并且在此所提供电力的实际电压波形并不重要。这是通过向该HSI提供半周脉冲来实现，这些半周脉冲被偶数个不提供给该HSI的半周所分隔。由此，该连续所施加的半周一直为相反的极性。

Description

用于脉冲采样控制的装置和方法

背景技术

本发明涉及一种用于脉冲采样控制的装置和方法，特别涉及一种供热表面点火器(HIS)使用的控制器，该热表面点火器使用了基于作为单一供电装置的电源半周(half-cycle)脉冲的脉冲调制方法。

在现代的家用和工业电力/电子用电设备中，具有合理功耗的低压加热设备正变得更加普遍。这些设备范围从小灯泡到很大功率的工业烤箱和加热器。

技术上来说，使用较低的阻抗加热元件来制造这样的设备要容易和便宜许多。但是，由于它们需要使用具有大体上不可控制的交流电流的广泛的电力变压器，在驱动这样的负载时，更复杂的问题代表性地出现。昂贵的电压和电流调节器或具有昂贵驱动器的脉宽调制(PWM)也需要代表性地使用。

因此，本发明的目的在于克服上述问题中至少一部分，或者向公众提供一种有用的选择。

本发明的进一步目的在于提供一种用于热表面点火器的控制器，其基于作为单一供电装置的电源半周脉冲，使用一种比迄今已知的控制器更灵活的脉冲调制方法。

发明内容

因此，本发明一方面提供了一种用于脉冲采样控制的装置和方法，特别是提供了一种供热表面点火器(HIS)使用的控制器，该热表面点火器使用了基于作为单一供电装置的电源半周脉冲的脉冲调制方法。

本发明另一方面提供了一种控制来自一电源的交流电力送至一负载的方法，该负载的标称工作电压小于该电源的电压，所述方法包括步骤：

(a)从该电源接收交流电力；

(b)将全部交流周期脉冲的一半施加至该负载；

(c)等待一偶数个半周经过；

(d)应用全部交流周期脉冲的一半；

(e)按照一预定的时间重复步骤(c)和(d)。

每个半周开始于0电压，上升至其最大电压，然后再下降至0电压。

该偶数个半周略过2至6个脉冲。

第一组略过的脉冲可以不同于第二组略过的脉冲。

所述略过的脉冲的组在时间上尽可能均匀的分布。

工作周期可以用公式工作周期＝1/N＝t/T＝(v/V)²表示，其中：1/N为用％表示的一工作周期，t为所应用的交流电压半周长度，T为略过的交流电压周期长度，V为来自交流电压源的所施加的电压，v为负载所需的标称电压。

施加至该负载的功率随时间改变。

本发明还提供一种用于控制提供给一负载的电压的装置，该电压来自于一交流电源，所述装置包括一控制器，该控制器采样该交流电源的工作周期并且有选择地反馈交替极性的半周至该负载，所述半周被一偶数个半周分开，因此反馈至该负载的连续的半周为相反的极性。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。附图中，有效半周阶段以黑色显示。

图1所示为一脉冲工作周期等于1/3的半周功率控制的示意图。这一脉冲范围表示1/3的标称功率电平送至标称电压下的负载。

图2所示为一脉冲工作周期等于1/5的半周功率控制的示意图。这一脉冲范围表示1/5的标称功率电平送至标称电压下的负载。

图3所示为一脉冲工作周期等于1/3和1/5的组合的半周功率控制的示意图，组合后的等价工作周期等于1/4。这一脉冲范围表示1/4的标称功率电平送至标称电压下的负载。

图4所示为本发明用于120V交流输入电源的再点火控制器的接线图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明进行详细说明。尽管下面的说明中包括了代表性的实施例，但是并不排除其它实施例的存在，并且所描述的实施例可以作出不脱离本发明的精神和范围的改变。在整个附图和下面的说明中，如果可能，相同的标号将用来指示相同或相近的部分。

本发明提出一种热表面点火器(HSI)控制器，其无变压器并且能够输送来自一120V交流有效值(RMS)电源电压的电力，例如，送至一标称工作电压等于24V交流有效值正弦全波交流电压的负载。该控制器提供一脉冲范围，该脉冲范围主要设计为输送电力至具有充分热电子惯性和质量的热表面点火器有功负载，并且在此所提供电力的实际电压波形并不重要。

该控制器典型的操作如下：

1.初始化。

在此阶段，该控制器探测和计算包括电压和频率的输入电压参数。

2.预热。在此阶段，该控制器将该HSI通过一继电器连接至电力，并且逐渐地，首先非常缓慢地并且随后更加加强地，提供电力至“冷的”HSI，直至HSI达到接近于其标称温度的温度。

3.主点火。在此阶段，该控制器维持该HSI在标称温度下大约4-5秒从而可靠的气体点火。在此阶段的工作周期将在下面更加详细的描述。

4.火焰确认。

在此阶段，该控制器从电源断开该HSI并且在大约0.5-1秒之间确认火焰存在。

5.再点火。

如果在点火阶段火焰没有建立并且火焰确认表明没有火焰存在，则该控制器从初始化阶段开始重复整个点火周期。在再点火过程中，预热阶段短很多或完全不存在以避免HIS过热。

6.火焰检测。

在此阶段该控制器探测火焰存在并且连续停留在“待机”模式，直至火焰再次失去或被操作者关掉。在火焰失去的情况下，其在大约2-3.5秒内自动开启并且重新点燃气体。

整个循环周期大约花费5-7秒每周期。该循环过程将持续，直至火焰建立或者能够通过软件限制，或者直至该系统被操作者关掉。为了火焰探测和确认，该控制器利用常见的火焰矫正方法，甚至在最小的文火(simmer)气体操作下也可以保证简单和可靠的火焰探测。

一个重要的安全因素在于，当HSI不在有效的加热阶段时，确保该HSI元件通过继电器一直保持与危险的120V电源分离。甚至当该控制器自身连接至该电源并且保持在火焰检测模式下工作时，该HSI仍然与电源分离。

该控制器因此在下述的基础上工作以在主点火阶段保持不变的标称温度。

举例来说，标准电源电压为交流110/120V，50/60Hz，来自电源的应用能量的最低限度的容易可控的部分可以是该电源周期脉冲的一半，持续时间从60Hz下8.33毫秒(ms)至50Hz下10.0ms。按顺序为正极性或负极性的该电源半周部分的能量，是可控制的。该范围的具有不同工作周期(dutycycle)的这些相反极性的脉冲可以应用至任意的有功负载，该负载具有适度高的热电子电容并且在应用能量的这部分时防止损坏。

在峰值振幅方面，这些电源半周脉冲中的每个有可能显著更大，但是由于特定的工作周期，总的输送的有效值功率将等于来自这一负载标称电压的功率。

因此，例如，如果在初始化/校准时供给电压Uin和标称负载电压Uload之间的比率等于3(N＝Uin/Uload＝3)，那么所需的工作周期一定是1/9，在此1/9＝(1/3)²。图1所示为1/3的工作周期，同时，图2所示为1/4的工作周期。填充区域10显示有效的正和负半周，同时空白区域12显示未传递到负载的半周。

在理想的情况下，正和负脉冲之间的距离(时间)应当相同，以确保更好的功率输送分配。但是，有时不可能实现这一点。因此，为达到1/4的工作周期，必须使用1/3和1/5两个不同工作周期的特定方案组合。所产生的工作周期如图3所示。当实际的输入和所需的标称电压比率N等于2时，这一比率是必然的。

为了更精确的功率输送，可采用更复杂的多变的工作周期方案，其中，在“有效”周期之间的“非有效”周期的数量不断变化，从而实现精确的功率输送。唯一重要的条件在于每下一个“有效”脉冲应当永远与前一个“有效”脉冲极性不同。依照上述方法，本发明意图利用为微控制器设计和编写的软件来向该控制器提供全部所描述的算法，从而在运行中实现所提议的选择。

该HSI具有如下的运行特点：

它根据来自电源或任意类型的交流发电机的输入有效值电压和频率来调整它的定时参数和脉冲频率(pulse rate)；

如果电源电压参数在HSI运行期间改变，HSI动态地不断重新调整输出功率，否则HSI的参数也改变；

对于不同的±50％范围内的输入和输出有效值电压，该控制器能够被编程和校准。在此情况下，该控制器运行于动态状态并且保持功率输送等于预先“校准”的电压；

该控制器还根据初始的HSI温度、电阻和所应用电压的变化来改变HSI“预热”状态；

在“非加热”阶段，该控制器一直从电源和固态开关器件(solid stateswitchingdevice)断开该HIS。

图4所示为根据本发明一较佳实施例，用于120V交流输入电源的再点火控制器的接线图。

该可控制的工作周期(例如在供各脉冲之间的有效半电源周期和无效脉冲的数量)使应用至任意负载的平均功率能够控制。其还改变不同工作状态，例如预/加热、功耗的改变、冷却、不同外部条件下的运行、输入电源、热传导性、能量耗散和环境条件变化等等，的能量输送曲线图。

仅使用半周能量部分而不是全周电源脉冲，可使负载更容易“消化”而不会导致负载损害或破坏。使用能量的一半部分还使总功率控制更加灵活和精确。进一步来说，仅使用偶数个交替的正和负半周能量部分可帮助保持来自电源的交流电流消耗绝对对称，没有任何平均直流偏移。在一些对交流电流对称性和直流偏移具有严格规定的国家，这一点非常重要。

该控制器因此可用于许多领域，包括家庭、商业和工业。其特别有利于用于有功负载。

对于这一系统，输送至任何负载的总功率/能量可以通过改变其工作周期来控制。这是一个“有效”(有电流)和“无源”(无电流)半周的序列。取决于各种各样的因素，例如所应用的交流电压(需要所应用功率的时间曲线图)、负载的性质等等，这样一个“工作周期”可以为预先可编程控制器的一个功能。

所提议的控制器具有另一功能，其可以自动确定电源频率和电压，以及可以根据该输入电源频率和电压调整它的内部时钟频率和全部的内部定时参数。这样的智能控制可以通过使用微控制器来实现，其进一步允许：

软件的预设编程；

对于任何内部参数建立的自动反应；

对于测量不断变化的外部参数(动态状态)的即时反应；

在运行中，这一系统/控制器可以具有许多特性。它们能够在任何取决于控制器模型、输出参数、规格和需求的组合中使用。这些特性可以包括：

对于多变的/可变的所应用的交流频率，自动功率输送调整；

对于多变的/可变的所应用的交流电压，自动功率输送调整；

为电气和EMC噪音最小化而使用完全可控的真实交流过零点(zero-crossing)；

能够独立运行以及与其它各种类型控制器联合运行；

对于一些应用，其为通用的并且与电源和负载的连接无极性；

与现有的电压和功率控制器相比极其小的尺寸和重量；

其可以嵌入任意其它电子控制器；

与变压器和自耦变压器或现有的控制器相比极其低的功率消耗和耗散；

非常大范围的功率输送(负载电流)；

应用中简单和容易安装；以及

封装于防火环氧化合物中，不受严酷和危险的环境条件影响。

本发明用于低压有功负载，其具有小于所施加(或电源)电压1.5至5倍标称工作电压，具有从几十瓦至几千瓦的具有合理热电子惯性的总功率消耗，并且由此，来自于电源的具有1至30脉冲每秒频率的功率脉冲不会引起任何问题。因此可防止损坏和不适当的性能。无论如何，可以理解，本发明并不仅限于这些设置。

在本发明一实施例中，该系统(控制器)由以下部分组成：

智能核心(微控制器)；

用于直接和反馈参数的输入接口；

控制通过负载的电流的输出执行组件(输出)

(三端双向可控硅元件、晶体管、继电器等)

用于装载和重装载程序存储器中的软件的编程接口；

用于微控制器、功能块和周边设备的电源；

用于特别控制器系统应用的附加功能块(火焰检测电路、温度测量电路等等)；

该软件为微控制器设计和编写，以向该控制器提供全部所描述的算法，从而在执行操作时实现所提议的选择。

取决于特定控制器的功能需求和电子参数，那些系统部件中的每一个都可以具有灵活的和各种各样的原理图和结构。

如果整个系统包含许多(从2到，比如说，6)相近的或不同的负载，所谓的“多点控制器”可以用来代替所谓的“单点控制器”。在这种情况下，由同样的智能核心(微控制器)来管理，该控制器可以具有所需数量的输出。假若这样，整个系统在各方面变得更简单、便宜以及更紧凑和有效率。

这一结构允许及时传播有效半周脉冲，从而避免在同一电源周期中脉冲的多重和同时操作。在这种情况下，在高电流脉冲期间，来自电源的功率消耗变得更加平坦和“光滑”，线路中的损失更少。

对于复杂的电气用具，可以使用不同数量的接入一组合系统的单独的控制器。

由于各个控制器提供一系列高电流脉冲以驱动其负载，因此重要的问题变成使其全部异步工作。在这种情况下，那些控制器中没有一个在同样的电流周期中提供脉冲。这防止了电源和供电线过载以及被断路器和其它保护设备断开。

所有有关的控制器将以一相似的方式运行，就像一多点单元处理随时间传播的有效脉冲。为提供这一运行选择，所有有关的控制器必须以链式连接在一起以在它们之间通讯。所有的控制器单元交换所谓的“预防信号”，从而防止单元同时同步的运行。所有作为一组来运行的控制器将具有特别的用于交换“预防信号”的触点/连接器/端子/引线。

所提议的控制器可以用于各种可能的应用，在这样的应用中使用了低压负载并且该负载可接受脉冲功率控制。实践表明，当所提供的交流电压和标称负载电压的差别在1.5至5倍之间时，可以获得最好的情况。在此情况下，标称功率可以送至任何使用所提议的脉冲控制方法的负载。所提议应用中的一种可以为来自120V交流电源的24V负载。取决于电源频率和电源电压调整，为保持适当的来自这一电源电压的功率输送和平衡，脉冲频率应当以5-7脉冲每秒进行变化。由此，能够工作于这样脉冲频率下的各种类型负载可以由这种类型的脉冲控制器成功地驱动。为了适当的功率平衡，更高的负载电压频率需要更频繁的脉冲频率。

如上所述，最普通的和适当的负载类型之一为热表面点火器(HSI)，其用于在各种气体用具中点燃空气-气体混合物，例如加热器、锅炉、烤箱和煤气炉。那些热表面点火器具有相对高的热惯性。对于这样的负载，本发明提议的控制器成为一种理想的解决方案。

对于那些在冷(″OFF″)和热(″ON″)状态的电阻之间具有很高差异的负载，初始脉冲期间的电流值成为很严重的破坏性的问题。在这些情况下，在一短时初始阶段，所提议的控制器提供所谓的相似于相位控制的“预热”动态状态，从而向负载(像所有HSI所需要)提供初始地预热以避免该负载过功率，然后在“预热”后，该控制器切换至“正常脉冲状态”以进一步安全无破坏性操作负载。

所提议的控制器设计可以用于新的热表面再点火(HSRI)，该控制器的许多正面性质使其不但可以安全有效地驱动整个HSI，而且还可以测量很小的火焰电流以及失去火焰时进行再点火。

所提议的控制器设计因此比现有的控制器具有许多益处：

无变压器驱动低压负载。

使用绝对对称和相等的交流电压脉冲范围驱动负载。

使用较小的仅等于全部交流电压周期/循环(period/cycle)一半的能量部分来驱动负载。

使用真实过零点方法排除电气噪声发出来驱动负载。

以非常小的功率消耗、功率损失和耗散来驱动负载。

驱动任意环境状态下的任意负载。

驱动接地或未接地的负载。对于一些负载来说很重要的无极性。

与现有的电压和功率控制器相比极其小的尺寸和重量。

应用中简单和容易安装。

驱动负载时，能够基于直接建立的和不断监视反馈的参数自动调整包括所供电压和频率在内的所有状态。

能够作为一多点系统工作，以及能够作为一组组合于系统中的单点单元工作，该系统根据特定算法在单元间交换信息并且不无目的/混乱地工作。

嵌入式软件中的非常先进的数字噪声滤波器允许使用任意数量的控制器在同一气体用具中一起工作，例如多烧嘴煤气炉或烤箱或多元件电热器。

因此，本发明提供了一种在最关心小型化、简易、成本及便利的各领域中实际上具有无限用途和应用的控制器。

说明书中词语“包括”表示“包括但不仅限于”。同样，并不承认说明书中涉及的文献和在先使用所揭露的内容构成澳大利亚范围内的一般常识。

在不偏离本发明的范围的情况下，可以使本发明具有进一步的优点和改进。尽管本发明已经通过被认为是最实用和优选的实施例来显示和描述，但其并不是限制本发明为所揭露的细节，而是为了与权利要求的全部范围一致，从而包括任一和所有的等同装置和设备，可以理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出各种改变。

Claims (4)

1.一种控制来自一交流电源的交流电力送至一负载的方法，该负载的标称工作电压小于该交流电源的电压，其特征在于，所述方法包括步骤：

(a)从该交流电源接收交流电力；

(b)将完整交流周期脉冲的一半施加至该负载；

(c)等待一偶数个半周经过；

(d)应用完整交流周期脉冲的一半；

(e)按照一预定的时间重复步骤(c)和(d)；

其中工作周期用公式工作周期＝1/N＝t/T＝(v/V)²表示，其中：1/N为用％表示的一工作周期，t为所应用的交流电压半周长度，T为略过的交流电压周期长度，V为来自交流电源的所施加的电压，v为负载所需的标称工作电压，

并且其中施加至该负载的连续的半周一直为相反的极性，所应用的每一个半周一直与所应用的前一个半周为相反的极性；每个半周开始于0电压，上升至其最大电压，然后再下降至0电压；

使用绝对对称和相等的交流电压脉冲范围驱动该负载；

第一组略过的脉冲不同于第二组略过的脉冲；

输送至该负载的总功率/能量通过改变其工作周期来控制；

施加至该负载的功率或输出有效值电压随时间改变。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该偶数个半周略过2至6个脉冲。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述略过的脉冲的组在时间上尽可能均匀的分布。

4.一种用于控制提供给一负载的电压的装置，该电压来自于一交流电源，其特征在于，所述装置包括一控制器，该控制器采样该交流电源的工作周期并且有选择地反馈交替极性的半周至该负载，所述半周被一偶数个半周分开，因此反馈至该负载的连续的半周为相反的极性，所反馈的每一个半周一直与所反馈的前一个半周为相反的极性；每个半周开始于0电压，上升至其最大电压，然后再下降至0电压；使用绝对对称和相等的交流电压脉冲范围驱动该负载；并且其中工作周期用公式工作周期＝1/N＝t/T＝(v/V)²表示，其中：1/N为用％表示的一工作周期，t为所应用的交流电压半周长度，T为略过的交流电压周期长度，V为来自交流电源的所施加的电压，v为负载所需的标称工作电压；第一组略过的脉冲不同于第二组略过的脉冲，输送至该负载的总功率/能量通过改变其工作周期来控制，施加至该负载的功率或输出有效值电压随时间改变。