CN103490761A - 一种大功率忆阻器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率忆阻器及其控制方法。大功率忆阻器包括受控电压源、控制器、电压采样器、电流采样器和电阻，控制器根据电压采样器采集的输入交流电压和电流采样器采集的输入电流，产生相应的控制信号，调节受控电压源的输出电压，使输入电压与输入电流之间符合忆阻器的电压电流关系。本发明采用逆变电路实现受控电压源，其特点是：第一可根据应用场合的需要设计控制信号，采用PWM方式控制逆变器的输出电压，实现不同工作性能的忆阻器；第二，忆阻器的功率大小由逆变电路的额定功率决定，可以通过设计逆变电路的工作参数，实现不同功率等级的忆阻器，为今后忆阻器在各种功率场合的实际应用提供了参考。

Description

一种大功率忆阻器及其控制方法

技术领域

本发明涉及忆阻器技术领域，具体涉及一种大功率忆阻器及其控制方法。

背景技术

1971年，美国科学家蔡少棠提出了除电阻、电容、电感之外的第四种基本无源电路元件，并将其命名为忆阻器，但一直未能制造出符合其物理定义的忆阻器。直到2008年，惠普公司利用TiO₂薄膜材料成功地制作出荷控型忆阻器（参见文献[1]：D.B.Strukov,G.S.Snider,D.R.Stewart,and R.S.Williams,“The missing memristor found”,Nature,2008(453),pp.80–83），证实了忆阻器的存在。但惠普忆阻器由纳米半导体薄膜材料制成，尺度非常小，主要用作计算机存储器，不能应用于电子电路。而用运算电路搭建的忆阻器电路模型，如文献[2]（B.Muthuswamy,“Implementing Memristorbased Chaotic Circuits”,International Journal of Bifurcation and Chaos,2010,20(5),pp.1335–1350）提出了一种应用AD633乘法器芯片的忆阻器模型，其功率则受到乘法器、运算放大器等运算电路工作电压的限制，只能适用于毫瓦级的小功率场合，严重地限制了忆阻器在各种功率场合的应用。

发明内容

针对现阶段的忆阻器电路模型功率等级较低的状况，本发明提供的一种大功率忆阻器及其控制方法，具体是用控制器产生的控制信号控制受控电压源的输出电压，使输入交流电压与输入电流满足忆阻器的定义。受控电压源采用电压型PWM逆变电路，具有工作特性灵活可调的特点，且忆阻器的功率由逆变电路决定，故本发明可以实现不同功率等级的忆阻器。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种大功率忆阻器，其包括受控电压源、控制器、电压采样器、电流采样器和电阻和输入交流电压源；输入交流电压源的一端与电阻的一端连接，电阻的另一端与受控电压源的正输出端连接，受控电压源的负输出端N与输入交流电压源的另一端连接；电压采样器的输入端采样输入交流电压源的输入电压v_in，电压采样器的输出端与控制器的第一信号输入端连接；电流采样器的输入端采样输入交流电压源的输入电流，电流采样器的输出端与控制器的第二信号输入端连接；控制器对输入的电压、电流信号进行处理，产生的控制信号从控制器的输出端端输出；控制器的输出端与受控电压源的控制信号输入端连接，受控电压源根据控制信号输入端输入的控制信号在正输出端端和负输出端端之间产生电压。

上述大功率忆阻器的控制方法中，控制器根据电压采样器采集的输入交流电压和电流采样器采集的输入电流，产生控制信号，调节受控电压源的输出电压，使输入交流电压v_in与输入电流i_in之间符合忆阻器的电压电流关系；通过选用不同功率容量的受控源，实现不同功率等级的忆阻器；受控源由电压型逆变电路实现，且逆变电路采用PWM控制方式；通过设置控制器，使所述的大功率忆阻器的忆导值为，

$G\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{i_{\mathrm{in}}}{v_{\mathrm{in}}}=\frac{G_R+\mathrm{\λ}\·\mathrm{\φ}}{R}=G_0+\mathrm{\α}\·\mathrm{\φ},$

式中v_in为输入电压，i_in为输入电流，R为电阻（5）的阻值，G_R和λ为控制器（2）算法设定的常数，φ为磁通量，

所述大功率忆阻器的忆阻值为

$M\left(q\right)=\frac{v_{\mathrm{in}}}{i_{\mathrm{in}}}=R(M_R+\mathrm{\μ}\·q)=M_0+\mathrm{\β}\·q,$

式中M_R和μ为控制器（2）算法设定的常数，q为磁通量，M₀＝M_R·R，β＝μ·R。

本发明的所述控制器包括积分器、加法器、乘法器中的一种以上；受控电压源由PWM逆变电路构成，其基本工作原理是将控制信号转化为脉冲宽度调制信号，用来驱动逆变器中的开关管，然后逆变器的输出波形经过一个低通滤波器，滤除高次谐波后，可以获得与控制信号相似且放大了的输出电压，使输入电流i_in与输入电压v_in之间的关系满足忆阻器的定义。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明提供的一种大功率的忆阻器及其控制方法，所得到的输入电压输入电流关系与忆阻器的定义完全一致，还可以根据应用场合的需要，通过调整控制器的算法，可灵活调节实现忆阻器的类型和参数，而且本发明所实现的忆阻器功率由受控电压源决定，因此可选用不同功率等级的受控电压源以适应不同的功率应用场合。

附图说明

图1为实施方式中提供的忆阻器的电路模型。

图2为实施方式中的忆阻器仿真原理图。

图3为实施方式中控制器输出的控制信号和受控电压源输出电压的仿真波形图。

图4为实施方式中忆阻器的输入电压和输入电流的仿真波形图。

图5为实施方式中忆阻器的输入电压和输入电流的实物波形图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本发明大功率忆阻器的基本原理是用控制器生成的调制信号对受控电压源进行控制，使电路的输入电压v_in和输入电流i_in之间符合磁控或荷控型忆阻器的定义，整个电路相当于一个忆阻器。

如图1，大功率忆阻器的电路构成包括受控电压源1、控制器2、电压采样器3、电流采样器4和电阻R5和输入交流电压源6。输入交流电压源6的A端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与受控电压源1的正输出端P连接，受控电压源1的负输出端N与输入交流电压源6的B端连接；电压采样器3的输入端Si采样输入交流电压源6的输入电压v_in，电压采样器3的输出端So与控制器2的信号输入端D1连接；电流采样器4的输入端Ci采样输入交流电压源6的输入电流i_in，电流采样器4的输出端Co与控制器2的信号输入端D2连接，控制器2对v_So、v_Co信号进行一系列的数学运算后，其信号于D3端输出，D3端与受控电压源1的受控信号输入端VC连接，受控电压源1根据控制器2的输出信号v_D3在P、N端产生输出电压v_F。

如图1所示，电压采样器3和电流采样器4分别对输入电压信号v_in和输入电流信号i_in进行采集，其输出v_So、v_Co输入到控制器2，根据电荷量的定义和法拉第电磁感应定律，对电流信号进行积分可等效地获得电荷量q，对电压信号进行积分可等效地获得磁通量φ，即

k_vφ＝∫v_Sodt＝k_v·∫v_indt，（1）

k_iq＝∫v_Codt＝k_i·∫i_indt，（2）

其中，k_v、k_i分别为电压、电流的采样系数。

若要搭建前文所述的磁控型忆阻器，可设计控制器2的输出信号为

v_D3＝k_Dv_in-k_Dv_in(G_R+λ·φ)，（3）

其中k_D、G_R和λ均为控制器2中算法设定的常数。

受控电压源1为逆变电路，若把v_D3作为逆变电路的调制波，在调制度小于1的情况下，逆变电路的输出电压v_F与v_D3的波形相同，幅值成比例，故得到受控电压源（1）的输出电压为

v_F＝k_F·v_D3＝k_F[k_Dv_in-k_Dv_in(G_R+λ·φ)]，（4）

设放大系数

有

v_F＝v_in-v_in(G_R+λ·φ)，（5）

从而得到电阻R上的电压大小为

v_R＝v_in-v_F＝v_in(G_R+λ·φ)，（6）

由此在电阻R上构建了一个磁通控制型电压源，此时输入电流的大小为

$i_{\mathrm{in}}=\frac{v_R}{R}=\frac{v_{\mathrm{in}}(G_R+\mathrm{\λ}\·\mathrm{\φ})}{R},---\left(7\right)$

发明电路的输入电流电压关系为

$\frac{i_{\mathrm{in}}}{v_{\mathrm{in}}}=\frac{G_R+\mathrm{\λ}\·\mathrm{\φ}}{R}=G_0+\mathrm{\α}\·\mathrm{\φ},---\left(8\right)$

式中G₀＝G_R/R，α＝λ/R。显然式（8）符合磁控型忆导值的表达式，证明了本发明电路的正确性。

若要搭建荷控型忆阻器，可设计控制器（2）的输出信号为

$v_{D3}=k_D{v}_{\mathrm{in}}-\frac{k_D{v}_{\mathrm{in}}}{M_R+\mathrm{\μ}\·q},---\left(9\right)$

其中k_D、M_R和μ均为控制器（2）算法中设定的常数。

同样设受控电压源（1）的放大系数

则受控电压源（1）的输出电压为

$v_F=v_{\mathrm{in}}-\frac{v_{\mathrm{in}}}{M_R+\mathrm{\μ}\·q},---\left(10\right)$

最终可得输入电压电流之间的关系为

$M\left(q\right)=\frac{v_{\mathrm{in}}}{i_{\mathrm{in}}}=R(M_R+\mathrm{\μ}\·q)=M_0+\mathrm{\β}\·q,---\left(11\right)$

式中M₀＝R·M_R，β＝R·μ。显然式（11）符合荷控型忆阻值的表达式，证明了本发明电路的正确性。

图2是一种大功率磁控型忆阻器在PSIM环境下的仿真原理图。其中VSEN1为电压采样器3，采样系数为k_D；积分器B1（积分常数为λ）、加法器SUMP1、直流偏置源VDC1（产生直流电压V_DC1）、乘法器MULT1、加法器SUMP2构成了控制器2的数学运算电路，其输出为

v_D3＝k_Dv_in+k_Dv_in(V_DC1+λ·φ)，（12）

单相逆变桥、LC滤波器、负载R_f和直流电压源VDC2构成了受控电压源1的主电路。控制器2的输出信号v_D3作为调制波输入到比较器COMP1，三角波发生器VTRI1产生的高频三角载波也输入到比较器COMP1，比较器COMP1产生的PWM信号经过驱动放大后控制单相逆变桥中开关管的导通和关断。

在调制度小于1的情况下，受控电压源1的输出信号经滤波后的大小为

v_F＝k_F·v_D3＝k_F[k_Dv_in+k_Dv_in(V_DC1+λ·φ)]，（13）式中放大倍数

V_DC2为直流电压源VDC2的电压，V_tri为三角载波的幅值。

设输入交流电压v_in为100V/50Hz，k_D＝0.01，λ＝100，V_DC1＝-2V，三角载波为1V/10kHz，V_DC2＝100V，R＝100Ω，逆变器输出滤波电感为L_f＝4.8mH，滤波电容为C_f＝6.8uF，所得到的忆导值表达式为

$G\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{i_{\mathrm{in}}}{v_{\mathrm{in}}}=-\frac{k_F{k}_D(V_{\mathrm{DC}1}+\mathrm{\λ}\·\mathrm{\φ})}{R}=0.02-\mathrm{\φ}\left(t\right),---\left(14\right)$

v_F与v_D3的波形如图3所示，可见受控电压源（逆变电路）的输出电压v_F为v_D3的100倍；仿真模型的输入电压v_in和输入电流i_in波形如图4所示，它们之间的关系与磁控型忆阻器定义完全一致。

依照图2的仿真参数搭建的实物电路，输入电压v_in和输入电流i_in波形如图5所示，其中输入电流i_in的量程为1A/div，输入电压v_in的量程为50V/div，实验波形也与磁控型忆阻器的理想波形完全一致，电路总功率达100W以上，验证了本发明电路的可行性和正确性。

Claims (4)

1.一种大功率忆阻器，其特征在于包括受控电压源（1）、控制器（2）、电压采样器（3）、电流采样器（4）和电阻R（5）和输入交流电压源（6）；输入交流电压源（6）的一端（A）与电阻R（5）的一端连接，电阻R（5）的另一端与受控电压源（1）的正输出端（P）连接，受控电压源（1）的负输出端（N）与输入交流电压源（6）的另一端（B）连接；电压采样器（3）的输入端（Si）采样输入交流电压源（6）的输入电压v_in，电压采样器（3）的输出端（So）与控制器（2）的第一信号输入端（D1）连接；电流采样器（4）的输入端（Ci）采样输入交流电压源（6）的输入电流（i_in），电流采样器（4）的输出端（Co）与控制器（2）的第二信号输入端（D2）连接；控制器（2）对输入的电压、电流信号进行处理，产生的控制信号从控制器（2）的输出端（D3）端输出；控制器（2）的输出端（D3）与受控电压源（1）的控制信号输入端（VC）连接，受控电压源（1）根据控制信号输入端（VC）输入的控制信号在正输出端（P）和负输出端（N）之间产生电压（v_F）。

2.根据权利要求1所述的一种大功率忆阻器，其特征在于所述受控电压源（1）由PWM逆变电路构成。

3.根据权利要求1所述的一种大功率忆阻器，其特征在于所述控制器包括积分器、加法器、乘法器中的一种以上。

4.权利要求1所述大功率忆阻器的控制方法，其特征在于，控制器根据电压采样器采集的输入交流电压和电流采样器采集的输入电流，产生控制信号，调节受控电压源的输出电压，使输入交流电压v_in与输入电流i_in之间符合忆阻器的电压电流关系；通过选用不同功率容量的受控源（1），实现不同功率等级的忆阻器；受控源（1）由电压型逆变电路实现，且逆变电路采用PWM控制方式；通过设置控制器（2），使所述的大功率忆阻器的忆导值为，

$G\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{i_{\mathrm{in}}}{v_{\mathrm{in}}}=\frac{G_R+\mathrm{\λ}\·\mathrm{\φ}}{R}=G_0+\mathrm{\α}\·\mathrm{\φ},$

式中v_in为输入电压，i_in为输入电流，R为电阻（5）的阻值，G_R和λ为控制器（2）算法设定的常数，φ为磁通量，

所述大功率忆阻器的忆阻值为

$M\left(q\right)=\frac{v_{\mathrm{in}}}{i_{\mathrm{in}}}=R(M_R+\mathrm{\μ}\·q)=M_0+\mathrm{\β}\·q,$

式中M_R和μ为控制器（2）算法设定的常数，q为磁通量，M₀＝M_R·R，β＝μ·R。

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