CN103607160B - 一种电流斩波控制器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流斩波控制器，包括电流采样电路、微处理器、三相整流桥式电路、滤波电路、三相PWM调制电路和电机绕组电路；其中，三相整流桥式电路连接滤波电路，滤波电路连接三相PWM调制电路，微处理器连接三相PWM调制电路和三相整流桥式电路，电流采样电路连接三相PWM调制电路和电机绕组电路；本发明将传统的电流斩波控制和脉宽调制通过模糊逻辑控制规则结合起来，克服电流斩波控制器开关频率不固定、对器件的开关频率要求较高的缺点；低的开关频率实现了高性能的电流控制，提高驱动系统的性能。

Description

一种电流斩波控制器及实现方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种电流斩波控制器及实现方法。

背景技术

在自动化控制等领域内，尤其是对电动机等相关控制对象，为了避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电动机造成损坏及提高系统的可控性，需要对电流峰值进行限定，一般采用电流斩波的控制方法。

该控制方法是让实际检测到的电流与电流参考值进行实时比较，构成电流偏差，如果电流偏差大于预置的误差宽度，控制芯片根据偏差的极值来控制功率开关器件的开关或关断，让实际电流跟随参考电流值。

这种控制方式，从理论上讲可以使实际电流实时跟踪参考电流，因此不存在延迟或滞后的问题；且由于实施起来比较简单，目前获得了广泛应用。

但是传统的电流斩波控制器在预置的电流误差宽度较小时，对电力电子器件的开关频率要求较高等缺点。

如果电流斩波电力电子器件开关频率设置的比较低，实际电流与参考电流误差就比较大，造成实际电流围绕参考电流上下波动较大。

发明内容

发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电流斩波控制器及实现方法，该电流斩波控制器操作简单、使用方便、有效地提高系统动态性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电流斩波控制器，包括电流采样电路、微处理器、三相整流桥式电路、滤波电路、三相PWM调制电路和电机绕组电路；其中：

三相整流桥式电路，包括若干个二极管，构成全相桥式电路，连接交流电源与滤波电路，用于将交流电源电压整流为方向不变、仍有脉动的直流电；

滤波电路，包括若干个电解电容，连接在三相整流桥式电路和三相PWM调制电路之间，用于过滤方向不变、仍有脉动的直流电中的脉动；

微处理器，连接三相PWM调制电路与电流采样电路，根据采样返回的电流，发出控制信号，控制三相PWM调制电路中各项电子器件的通断；

三相PWM调制电路，包括若干个二极管和场效应管，连接滤波电路和微处理器，用于斩波调制直流电，以控制电机绕组电路；

电机绕组电路，连接三相PWM调制电路和电流采样电路，接收三相PWM调制电路斩波处理后的直流电，控制电机的运行；

电流采样电路，连接在微处理器和电机绕组电路之间，用于采集电动机控制电路中的实际电流值，采样电流值通过模数转换后进入微处理器。

所述微处理器为数字信号处理器、可编程逻辑控制器、电子控制单元中的一种。

基于上述电流斩波器的实现方法，具体步骤为：

（1）采集电动机的实际电流：电动机的实际电流经过采样电路采集后，通过模数转换转换成数字信号后进入微处理器；

（2）计算电流偏差：将给定电流参考值与实际检测电流相比较，构成电流偏差；

（3）改变脉冲宽度占空比，根据实际电流偏差与预置电流误差和其误差变化率的关系，在微处理器程序中按照下面的规则实时改变脉冲宽度的占空比：

当电流误差为[0，h][0，2h]，[0，3h]，[0，4h]，[0，5h]范围内时，低电平的占空比分别为20%、40%、60%，80%、100%；

当电流误差为[-h，0][-2h，0]，[-3h，0]，[-4h，0]，[-5h，0]范围内时，高电平的占空比分别为20%、40%、60%，80%、100%；

其中，h为参考电流的一定比例值，大于0，比如0.5%、1%、1.5%等数值，具体数值的大小根据系统对电流控制精度的要求来确定；

（4）实现电流斩波控制：微处理器的I/O管脚输出信号控制电力电子器件的开通或关断实现更平滑的电流斩波控制。

本发明的工作原理为：实时监测电动机绕组的实际电流，利用微处理器对电流进行对比分析，通过调节主电路中相关电力电子元件，对三相电整流的直流电进行通断控制，实现对电动机的高性能控制。

本发明的有益效果为：

1、将传统的电流斩波控制和脉宽调制通过模糊逻辑控制规则结合起来，克服电流斩波控制器开关频率不固定、对器件的开关频率要求较高的缺点；

2、低的开关频率实现了高性能的电流控制，提高驱动系统的性能；

3、方法简单，使用方便，实时监测电动机的实际电流，及时调制。

附图说明

图1为微处理器与主电路连接图；

图2为开关磁阻电机A相绕组与不对称结构主电路连接示意图；

图3为A相绕组从通电到关断续流的三种状态示意图；

图4为开关磁阻电机理想电流波形示意图；

图5为开关磁阻电机理想电流斩波控制时Q_AH、Q_AL驱动侧脉宽调制示意图；

图6为开关磁阻电机所提出的电流斩波控制方法Q_AH、Q_AL驱动侧脉宽调制示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种电流斩波控制器，包括电流采样电路、微处理器、三相整流桥式电路、滤波电路、三相PWM调制电路和电机绕组电路；其中：

三相整流桥式电路，包括若干个二极管，构成全相桥式电路，连接交流电源与滤波电路，用于将交流电源电压整流为方向不变、仍有脉动的直流电；

滤波电路，包括若干个电解电容，连接在三相整流桥式电路和三相PWM调制电路之间，用于过滤方向不变、仍有脉动的直流电中的脉动；

微处理器，连接三相PWM调制电路与电流采样电路，根据采样返回的电流，发出控制信号，控制三相PWM调制电路中各项电子器件的通断；

三相PWM调制电路，包括若干个二极管和场效应管，连接滤波电路和微处理器，用于斩波调制直流电，以控制电机绕组电路；

电机绕组电路，连接三相PWM调制电路和电流采样电路，接收三相PWM调制电路斩波处理后的直流电，控制电机的运行；

电流采样电路，连接在微处理器和电机绕组电路之间，用于采集电动机控制电路中的实际电流值，采样电流值通过模数转换后进入微处理器。

如图2所示，交流电压通过前端的三相整流桥式电路整流变成带有谐波的直流，然后通过中间的滤波电容形成直流，最后经过控制电路中电子电子器件的有序开通和关断来实现对开关磁阻电机的控制。

如图3所示，以A相绕组为例，绕组从通电到关断续流的三种状态，状态a是桥臂中电力电子器件Q1U和Q1D同时开通，电流经过直流电压正极、Q1U、绕组A、Q1D、到直流电压负极。状态b是桥臂中电力电子器件Q1U关断，Q1D开通，由于绕组中的电感，电流不能突然消减为零，在状态1中所形成的绕组电流在绕组A、Q1D、D1D形成的回路中续流。状态c是是桥臂中电力电子器件Q1U和Q1D同时关断，绕组A中电流在绕组A、D1U、直流电压正极、直流电压负极、D1D形成的回路中续流。

如图4所示，上半部分中L_a表示开关磁阻电感曲线，根据电感的随转子位置的变化，来确定开关磁阻电机产生转矩的理想电流波形i_理想和其开通θ_on和关断角θ_off的位置。图中下半部分为采用电流斩波控制方法，取电流上限为i_理想+h，电流下限为i_理想-h时，绕组A中的实际电流i_实际波形示意图，其中h为参考电流的一定比例值，大于0，取1%在实际实现上述的电流斩波控制时，实际电流与参考电流的偏差如果设置的比较小，就需要电流斩波控制的开关频率非常高，这样电流电子器件的开关损耗就会增大。如果实际电流与参考电流的偏差如果设置的比较大，电流斩波控制的开关频率虽然下降了，但是实际电流不能很好的跟随参考电流，电流波动比较大，导致电机产生较大的转矩波动。

如图5所示，给定电流参考值与实际检测电流相比较构成电流偏差，如果电流偏差大于预置的误差宽度，这只臂就根据电流偏差极性情况开通或关断，使得实际电流在给定电流值±h的范围内。图5中Q_AH和Q_AL驱动侧脉宽调制示意图为实现绕组A中的实际电流i_实际波形示意图时，电力电子器件Q1D、D1D驱动侧脉宽调制（PWM）示意图。图中T为达到理想的电流所需的最小中断周期，1/T为实现电流斩波控制的开关频率。

本发明中的电流控制器对上述传统电流斩波控制方法进行改进。电动机的实际电流经过电流采样电路后，进入到处理器转换成数字信号。给定电流参考值与实际检测电流相比较构成电流偏差，如果电流偏差超出预置的误差值，根据实际电流偏差与预置电流误差和其误差变化率的关系在中断程序中根据所设定的模糊逻辑规则实时改变改变脉冲宽度(PWM)的占空比，PWM或I/O管脚输出信号控制电力电子器件的开通或关断实现更平滑的电流斩波控制。

如图6所示，电流误差形成开关磁阻电机所提出的电流斩波控制方法Q_AH、Q_AL驱动侧脉宽调制（PWM）示意图。将实际电流分成i_参考±h、i_参考±2h、i_参考±3h、i_参考±4h、i_参考±5h几段。以i_参考±h为例，在实际电流大于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%关断，而是按照20%占空比关断；在实际电流小于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%开通，而是按照20%占空比开通。

实际电流在i_参考±2h内时，在实际电流大于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%关断，而是按照40%占空比关断；在实际电流小于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%开通，而是按照40%占空比开通。

实际电流在i_参考±3h内时，在实际电流大于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%关断，而是按照60%占空比关断；在实际电流小于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%开通，而是按照60%占空比开通。

实际电流在i_参考±4h内时，在实际电流大于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%关断，而是按照80%占空比关断；在实际电流小于上限时，中断周期内电力电子器件不是100%开通，而是按照80%占空比开通。

实际电流在i_参考±5h内时，在实际电流大于上限时，中断周期内电力电子器件100%关断；在实际电流小于上限时，中断周期内电力电子器件100%开通。

通过实际的应用证明上述的电流斩波控制控制器能够明显提高驱动系统的性能，由于电流斩波控制方法将传统的电流斩波控制和脉宽调制通过模糊逻辑控制规则结合起来，克服电流斩波控制器开关频率不固定、对器件的开关频率要求较高等缺点。该控制器用比较低的开关频率实现了高性能的电流控制方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种电流斩波器的实现方法，所述电流斩波控制器，包括电流采样电路、微处理器、三相整流桥式电路、滤波电路、三相PWM调制电路和电机绕组电路；其中：

三相整流桥式电路，包括若干个二极管，构成全相桥式电路，连接交流电源与滤波电路，用于将交流电源电压整流为方向不变、仍有脉动的直流电；

滤波电路，包括若干个电解电容，连接在三相整流桥式电路和三相PWM调制电路之间，用于过滤方向不变、仍有脉动的直流电中的脉动；

微处理器，连接三相PWM调制电路与电流采样电路，根据采样返回的电流，发出控制信号，控制三相PWM调制电路中各项电子器件的通断；

三相PWM调制电路，包括若干个二极管和场效应管，连接滤波电路和微处理器，用于斩波调制直流电，以控制电机绕组电路；

电机绕组电路，连接三相PWM调制电路和电流采样电路，接收三相PWM调制电路斩波处理后的直流电，控制电机的运行；

电流采样电路，连接在微处理器和电机绕组电路之间，用于采集电动机控制电路中的实际电流值，采样电流值通过模数转换后进入微处理器；

其特征是：具体步骤为：

(1)采集电动机的实际电流：电动机的实际电流经过采样电路采集后，通过模数转换转换成数字信号后进入微处理器；

(2)计算电流偏差：将给定电流参考值与实际检测电流相比较，构成电流偏差；

(3)改变脉冲宽度占空比，根据实际电流偏差与预置电流误差和其误差变化率的关系，在微处理器程序中按照下面的规则实时改变脉冲宽度的占空比：

当电流误差为[0，h][0，2h]，[0，3h]，[0，4h]，[0，5h]范围内时，低电平的占空比分别为20％、40％、60％，80％、100％；

当电流误差为[-h，0][-2h，0]，[-3h，0]，[-4h，0]，[-5h，0]范围内时，高电平的占空比分别为20％、40％、60％，80％、100％；

其中，h为参考电流的一定比例值，大于0，具体数值的大小根据系统对电流控制精度的要求来确定；

(4)实现电流斩波控制：微处理器的I/O管脚输出信号控制电力电子器件的开通或关断实现更平滑的电流斩波控制。

2.如权利要求1所述的一种电流斩波器的实现方法，其特征是：所述微处理器为数字信号处理器、可编程逻辑控制器、电子控制单元中的一种。