CN103722322A - 原边电流反馈模式的数字实现电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了原边电流反馈模式的数字实现电路及方法。采用含有数字芯片功能和模拟电路功能的混合信号FPGA作为数字控制器。由于偏磁产生的过流信号持续时间极短，一般为几个微秒，就会造成主回路系统损坏，常用方法难以实现其数字化高性能控制。本方法能够在保证系统不遗漏偏磁、小脉宽等任何原边信息情况下，实现原边电流反馈闭环的数字化控制，动态响应快，控制精度高，可靠性好，可广泛应用于采用全桥逆变电路结构的系统中，具有重要的应用价值和实际意义。

Description

原边电流反馈模式的数字实现电路及方法
技术领域
本发明涉及一种数字实现方法，尤其涉及原边电流反馈模式的数字实现电路及方法。
背景技术
焊接电源的数字化控制，是全面提升焊接质量的有效途径。自20世纪80年代始，逆变焊接电源以其便于实现数字化控制而具备动态响应快、控制灵活且精度高等优点，已经成为国际焊接装备的主要发展方向。全桥逆变电路结构是大功率焊接电源的首选，但是由于焊接负载变化范围大，基于全桥结构的焊接电源极易产生偏磁，引起过流现象，严重制约了焊接电源的可靠性和安全性。
基于原边电流反馈的PWM控制方式，不仅能够对被测的过电流具有快速抑制功能，而且电流控制精度高，可提高系统稳定性。但是，由于偏磁产生的过流信号持续时间极短（几个微秒）就会造成主回路系统损坏，常用方法难以实现其数字化高性能控制，目前基本为模拟电路实现方法，采用了振荡电容、驱动芯片等模拟器件实现。随着焊接工艺的改进，焊接电流波形也多种多样，如脉冲MIG焊、冷金属过渡焊等，模拟方法单一的给定比较，固定的斜坡补偿信号，易受温度等环境因素干扰，已难以满足目前高效的焊接工艺和高性能的数字焊接电源的需求。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了原边电流反馈模式的数字实现电路及方法，本发明中设计了基于新型混合信号FPGA的原边电流反馈模式数字实现方法，该方案能够保证偏磁、小脉宽等全部信号的高速采集，动态响应和控制精度高，稳定性好，可广泛应用于采用全桥逆变电路结构的系统中，具有重要的应用价值和实际意义。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
原边电流反馈模式的数字实现电路，包括双口RAM，双口RAM的输入端与原边电流给定信号发生器及斜波补偿控制器相连，双口RAM的输出端与高速PWM发生器相连，双口RAM与ACE模块通信，ACE模块与加法电路相连，加法电路通过信号调理电路与原边电流传感器相连。
所述双口RAM通过APB总线与ACE模块通信。高速PWM发生器用于产生PWM信号。
所述ACE模块包括第二D/A模块、第一D/A模块及高速比较器，第二D/A模块与高速比较器相连，高速比较器的输入端与加法电路的输出端相连，加法电路的输入端与第一D/A模块相连。
所述信号调理电路由整流桥D1_1、电阻R8、电阻R1和运算放大器U1_1A组成，其中由整流桥D1_1和电阻R8构成同相整流电路，将交流的原边电流信号转换成同相电流信号。
所述加法电路由电阻R2、R3、R4、R5、运算放大器U1_1B和R6、R7组成，实现原边电流信号和FPGA输出的斜坡补偿信号的叠加，并转换为FPGA可接受的输入信号。
原边电流反馈模式的数字实现方法，包括以下步骤：
步骤一：由原边电流传感器采集原边电流信号，经信号调理电路，送入加法电路，同时由FPGA内部的斜坡补偿控制器产生用于斜坡补偿的三角波信号，送入双口RAM；
步骤二：送入双口RAM的三角波信号经APB总线实现与ACE模块中第一D/A的高速数据交换，由第一D/A输出斜坡补偿信号进入加法电路；
步骤三：由FPGA内部的原边电流给定信号发生器产生给定值，送入双口RAM；
步骤四：送入双口RAM的给定值经APB总线实现与ACE模块中第二D/A的高速数据交换，由第二D/A的输出送入高速比较器；
步骤五：经高速比较器处理后的信号与加法电路的输出信号，共同经高速比较器比较输出，输出信号经APB总线送入双口RAM存储，由高速PWM发生器读取，最终输出PWM信号，驱动逆变器工作。
所述斜坡补偿控制器能产生频率和占空比可调的用于斜坡补偿的三角波信号。
其原理为：采用数字电路和模拟电路相结合的办法，将涉及到原边电流反馈闭环的加法电路用模拟器件实现，比较器、D/A等通过混合信号FPGA内部的ACE模块实现，保证了偏磁、小脉宽等所有信号的实时、准确处理。在FPGA内部采用硬件描述语言编程实现斜坡补偿控制器、高速PWM发生器等，可根据需要产生任何频率和占空比的斜坡补偿信号，从而生成参数可调的PWM驱动脉冲。
本发明的有益效果：
本方法充分利用基于模数混合FPGA的数字化技术，具有以往措施难以比拟的优点：
（1）集成度高，可靠性好。因FPGA内部集成了数字电路设计和模拟电路功能，数据的传输将在芯片级的内部高速完成，系统抗干扰性将得到大幅提升，一致性好，便于产业化应用。
（2）灵活性好，适应性强。相比传统的全模拟器件搭建的电路，本方法可根据实际工程应用的特殊性和多样性，设计不同的斜坡补偿信号和原边电流给定等参数，实现焊接过程的高性能闭环控制。
附图说明
图1本发明整体结构示意图；
图2本发明信号调理及加法电路连接示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，原边电流反馈模式的数字实现电路，包括双口RAM，双口RAM的输入端与原边电流给定信号发生器及斜波补偿控制器相连，双口RAM的输出端与高速PWM发生器相连，双口RAM与ACE模块通信，ACE模块与加法电路相连，加法电路通过信号调理电路与原边电流传感器相连。
所述双口RAM通过APB总线与ACE模块通信。高速PWM发生器用于产生PWM信号。
所述ACE模块包括第二D/A模块、第一D/A模块及高速比较器，第二D/A模块与高速比较器相连，高速比较器的输入端与加法电路的输出端相连，加法电路的输入端与第一D/A模块相连。
原边电流反馈模式的数字实现方法，包括以下步骤：
步骤一：由原边电流传感器采集原边电流信号，经由信号调理电路后送入加法电路，同时由FPGA内部的斜坡补偿控制器产生用于斜坡补偿的三角波信号，送入双口RAM，其中斜坡补偿控制器由VHDL编程实现，可产生任意斜率和频率的三角波信号。信号调理电路如图2所示。信号调理电路由整流桥D1_1、电阻R8、电阻R1和运算放大器U1_1A组成，其中由整流桥D1_1和电阻R8构成同相整流电路，将交流的原边电流信号转换成同相电流信号。由电阻R1和运算放大器U1_1A构成跟随器，提高电路稳定性；
步骤二：送入双口RAM的三角波信号经APB总线实现与ACE模块中第一D/A的高速数据交换，由第一D/A输出斜坡补偿信号进入加法电路。加法电路如图2所示，由电阻R2、R3、R4、R5、运算放大器U1_1B和R6、R7组成，实现原边电流信号和FPGA输出的斜坡补偿信号的叠加，并转换为FPGA可接受的输入信号，即处理后的原边电流信号，送入FPGA；
步骤三：由FPGA内部的原边电流给定信号发生器产生原边电流给定值，送入双口RAM存储，其中通过VHDL编程实现的原边电流给定信号发生器，可根据需要产生任意固定值或变化的原边电流给定值，以满足不同应用场合的需求；
步骤四：送入双口RAM的给定值经APB总线，实现与ACE模块中第二D/A的高速数据交换，由第二D/A的输出送入高速比较器，实现数字给定值在芯片内部的模拟输出，满足高速比较的需求；
步骤五：第二D/A输出的信号与加法电路的输出信号，共同经高速比较器比较输出，输出信号经APB总线送入双口RAM存储，由基于VHDL编程实现的高速PWM发生器读取，产生占空比可调的PWM信号，驱动逆变器工作。大量的数据交换和模拟量处理都在芯片内部实现，因此系统的抗干扰性强，可靠性高，同时芯片内部采用了总线方式，确保了数据的高速交换，系统动态响应性高。
该方法兼具数字控制器灵活可靠和模拟电路信号连续的优点，不仅能够实现原边反馈信号全部信息的高速处理，快速抑制偏磁和过流现象，而且可以编程实现多种控制策略和PWM输出，适合于基于全桥逆变拓扑的能量变换系统。

Claims (7)

1.原边电流反馈模式的数字实现电路，其特征是，包括双口RAM，双口RAM的输入端与原边电流给定信号发生器及斜波补偿控制器相连，双口RAM的输出端与高速PWM发生器相连，双口RAM与ACE模块通信，ACE模块与加法电路相连，加法电路通过信号调理电路与原边电流传感器相连。
2.如权利要求1所述的原边电流反馈模式的数字实现电路，其特征是，所述双口RAM通过APB总线与ACE模块通信。
3.如权利要求1所述的原边电流反馈模式的数字实现电路，其特征是，所述ACE模块包括第二D/A模块、第一D/A模块及高速比较器，第二D/A模块与高速比较器相连，高速比较器的输入端与加法电路的输出端相连，加法电路的输入端与第一D/A模块相连。
4.如权利要求1所述的原边电流反馈模式的数字实现电路，其特征是，所述信号调理电路由整流桥D1_1、电阻R8、电阻R1和运算放大器U1_1A组成，其中由整流桥D1_1和电阻R8构成同相整流电路，将交流的原边电流信号转换成同相电流信号。
5.如权利要求1所述的原边电流反馈模式的数字实现电路，其特征是，所述加法电路由电阻R2、R3、R4、R5、运算放大器U1_1B和R6、R7组成，实现原边电流信号和FPGA输出的斜坡补偿信号的叠加，并转换为FPGA能接受的输入信号。
6.如权利要求1所述的原边电流反馈模式的数字实现电路的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：由原边电流传感器采集原边电流信号，经信号调理电路，送入加法电路，同时由FPGA内部的斜坡补偿控制器产生用于斜坡补偿的三角波信号，送入双口RAM；
步骤二：送入双口RAM的三角波信号经APB总线实现与ACE模块中第一D/A的高速数据交换，由第一D/A输出斜坡补偿信号进入加法电路；
步骤三：由FPGA内部的原边电流给定信号发生器产生给定值，送入双口RAM；
步骤四：送入双口RAM的给定值经APB总线实现与ACE模块中第二D/A的高速数据交换，由第二D/A的输出送入高速比较器；
步骤五：经高速比较器处理后的信号与加法电路的输出信号，共同经高速比较器比较输出，输出信号经APB总线送入双口RAM存储，由高速PWM发生器读取，最终输出PWM信号，驱动逆变器工作。
7.如权利要求6所述的原边电流反馈模式的数字实现电路的方法，其特征是，所述斜坡补偿控制器能产生频率和占空比可调的用于斜坡补偿的三角波信号。
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