CN102910085A

CN102910085A - 一种用于电磁吸力悬浮系统的双管独立交错控制方法

Info

Publication number: CN102910085A
Application number: CN2012104050725A
Authority: CN
Inventors: 董金文; 张昆仑
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: CN102910085B

Abstract

本发明公开了一种用于电磁吸力悬浮系统的双管独立交错控制方法，对传统的电磁吸力悬浮控制系统电流实现环节中H型斩波器的上下两个开关管进行独立控制，控制的采样、计算和实施时间进行交错。通过这种独立交错控制，可以使系统在不改变主电路结构和单管开关频率的情况下，等效增加系统的控制和开关频率，自然产生小脉冲和零电平，这种方法实现了静态电流纹波可控，可以使电流跟踪的误差减小，同时保持最快电流跟踪速度，系统的复杂性和安全性保持不变，从而提高系统性能。

Description

一种用于电磁吸力悬浮系统的双管独立交错控制方法

技术领域

本发明涉及一种电磁吸力悬浮控制的方法，尤其涉及一种用于电磁吸力悬浮系统的悬浮控制与电力电子技术。

背景技术

在中低速磁浮列车等电磁吸力悬浮系统中，由于电磁吸力与悬浮气隙成近似的平方反比关系，系统不稳定，必须采用反馈控制才能使系统变为稳定系统。在反馈控制中，通过检测悬浮气隙的大小计算出需要调节的电磁铁电流大小，也就是控制量或者电磁铁电流给定。通过悬浮斩波器实现电磁铁电流等于所期望的电磁铁电流给定，从而通过调节电磁铁电流来调节电磁力，实现系统稳定。所以，在电磁吸力悬浮系统中，悬浮斩波器和电磁铁是输出执行部分，它们提供维持系统稳定悬浮的电流并产生使系统稳定的悬浮力。悬浮斩波器电路通常使用H型斩波器，由于电磁铁电流单向流动，在主电路结构中使用两只开关管和两只二级管。

对于电磁吸力悬浮系统来说，由于系统不稳定，当系统受到扰动时，希望电流尽可能的快速变化以尽快调节电磁力，使系统回复稳定位置。所以，为了抗扰动，需要系统具有比较快的电流变化，也就是比较大的电流变化率。但这种电流的快速变化会带来另外一面。由于悬浮斩波器是开关电路，输出电流存在纹波，这种纹波的大小往往和电流的变化率有关。电流变化率越大，系统纹波越大。电流纹波对悬浮系统来说也是一种扰动。所以对悬浮系统来说，当系统处于静止状态时，希望电流尽可能的平稳，纹波尽量小，平稳的电流会使系统电磁力的波动比较小，也就是系统扰动比较小；而当系统处于动态时，希望电流尽可能的快速变化，也就是要保持比较大的电流变化率。这也就对悬浮系统来说，电流需要快速而平稳。

在目前的悬浮斩波器的控制方法中，悬浮斩波器的开关器件通常只作为一个控制量进行控制，也就是上下开关管的控制量是一个。本发明提出一种新的控制思想，将双管作为两个独立的控制量，分别进行独立控制，并且通过时间上的交错，可以等效提高斩波器的开关频率，提高响应速度，降低稳态波动等目的。

发明内容

本发明是应用于电磁吸力悬浮系统中电流控制的一种方法，其目的是为了在电流控制环节中保持系统动态时电流变化速度不变的情况下，使得系统稳态纹波可控或者最小，同时系统主电路结构，开关管开关频率等保持不变。

本发明所采用的技术方案是：一种用于电磁吸力悬浮系统的双管独立交错控制方法，在由H型斩波器主电路及采样控制单元构成的硬件平台上，采用如下的控制方法：对H型PWM主电路上下双管进行不同步的独立控制分别计算PWM脉宽，计算得到的PWM脉冲对双管进行交错实施；独立交错控制中，上下开关管作为两个独立的控制量，占空比分别计算，采样计算和实施时间交错进行。

本发明的工作过程

结合图1可看到，在悬浮斩波器分析中通常将悬浮电磁铁线圈简化等效为RL串联形式。假设T1和T3为开关管，通常采用IGBT或者MOSFET。当开关管同时导通时电磁铁电流增加；当开关管同时关断时，电磁铁能量通过二极管D2和D4反馈电源，电磁铁电流减小。通过开关管不停的开通关断，调节电磁铁电流。当只有一个开关管导通时电路工作在三电平状态。

假设T1和T3为悬浮斩波器开关管，在某一时刻对电流进行采样，通过控制算法对PWM占空比进行计算，计算得到的占空比对T1进行实施；在一定时刻后，对电流进行采样，通过和T1相同或者不同的控制算法计算当前时刻的占空比，该占空比对T3进行实施。T1和T3相差时刻可以通过计算得到，也可以采用固定值，T1和T3的控制周期可以相同也可以不同。图2表达了本发明双管独立交错控制方法原理。

本发明方法中对T1和T3两个开关管进行独立交错控制，这种独立性体现在(a)两个开关管控制采样时刻可以相互独立；(b)两个开关管控制采用的算法可以相互独立；(c)两个开关管的控制量是独立计算的；(d)两个开关管的控制频率可以相互独立。控制方法中的交错是指(a)两个开关管的控制采样时间可以进行交错；(b)两个开关管控制脉冲实施的时间可以交错，他们的交错时间可以使固定的，也可以是根据计算得到的。

在传统的系统双管同脉冲控制中，双管同时开通时负载电压为电源电压，双管同时关断负载电压为负电源电压。本发明通过交错PWM使得系统存在单个开关管导通状态，自然实现零电平状态，同时使得系统可以实现比较小的正电平和负电平；通过独立交错控制，增加系统控制变量，系统除电流可控外，电流纹波也变为可控量；通过独立交错控制，在同等时间内，控制器调节的次数增加，可以加快响应，等效增加开关频率。

通过这种独立交错控制，可以使系统在不改变主电路结构和单管开关频率的情况下，等效增加系统的控制和开关频率，自然产生小脉冲和零电平，这种方法实现了静态电流纹波可控，可以使电流跟踪的误差减小，同时保持最快电流跟踪速度，系统的复杂性和安全性保持不变，从而提高系统性能。

附图说明

图1是悬浮斩波器主电路原理图。

图2(a)是双管独立交错控制方法原理框图，图2(b)是图2(a)的相应波形图。

图3是交错控制电流波形图。

具体实施方式

实施例一

T1和T3两个开关管采用同周期控制，采用同一控制算法。假设T1和T3开关周期均为T，但开通时刻和占空比并不一致，其中开通时刻相差t₃，占空比分别为d₁和d₂。其中U_i为输入电压，i_o为输出电流，I₀为输出直流分量，电流电磁铁电感为L，电阻为R。

通过附图3，我们可以看到在每一开关周期内，可能存在正、零和负三种电平。

表1斩波器工作状态(其中1代表开通，0代表关断)

	负电平	正电平	零电平	零电平
					T1状态	0	1	1	0
T3状态	0	1	0	1
					导通比	d_-1	d₁₂	d₁₀	d₂₀

其中d₁₂表示两管同时开通的占空比，d₁₀和d₂₀分别表示只有T1或者T3开通的占空比，d_-1表示两管同时关断的占空比。

显然，T1的导通比d₁＝d₁₂+d₁₀，T3的导通比d₂＝d₁₂+d₂₀。

在一个开关周期内有d₁₂+d₁₀+d₂₀+d_-1＝1 (1)

通过推导可以得到电路稳态输出电流与占空比关系：

I_{0} = \frac{U_{i}}{R} (d_{1} + d_{2} - 1) - - - (2)

在稳态时每一周期的电流波动值

Δi = \frac{U_{i} - I_{0} R}{L} \cdot \frac{I_{0} R}{U_{i}} T + \frac{U_{i} - I_{0} R}{L} \cdot d_{- 1} T - - - (3)

从公式(2)可以看到，对于悬浮斩波电路来说，可以通过独立控制T1和T3的导通比d₁和d₂来对输出电流进行控制。从公式(3)可以看到，通过调节T1和T3的交错时间可以实现电流纹波幅值的控制。

实施例二

T1和T3两个开关管采用同周期控制，采用不同控制算法，采样和PWM实施的交错时间固定。

实施例三

T1和T3两个开关管采用不同周期控制，采用相同控制算法，采样和PWM实施的交错时间会呈现周期性变化。

本发明可用于电磁吸力悬浮系统电流控制环节，如可用于磁悬浮车电流控制，利于减小系统静态扰动和等效增加系统频率。

Claims

1.一种用于电磁吸力悬浮系统的双管独立交错控制方法，其特征在于，在由H型斩波器主电路及采样控制单元构成的硬件平台上，采用如下的控制方法：对H型PWM主电路上下双管进行不同步的独立控制分别计算PWM脉宽，计算得到的PWM脉冲对双管进行交错实施；独立交错控制中，上下开关管作为两个独立的控制量，占空比分别计算，采样计算和实施时间交错进行。

2.根据权利要求1所述的一种用于电磁吸力悬浮系统的双管独立交错控制方法，其特征在于，所述独立交错控制是指：(a)上下双管独立控制，各自独立计算PWM脉宽；(b)两PWM脉宽在同一周期内进行交错，即分时采样、计算并实施。