CN104881529B - 基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，属于电流调制领域。确定有限状态机采样保持控制策略的各工作状态；依据采样保持控制策略的原理，确定各工作状态之间的转换顺序及转换条件；根据各工作状态之间的转换顺序及条件，确定设计有限状态机的输入和输出信号；仿真验证分析设计有限状态机各工作状态的转换顺序和时机是否与设定相符；依据验证后的有限状态机的输入和输出信号设计硬件电路。本发明易于理解、实现和修正，控制更加便捷；若要对调制方式、电路功能等进行增加与完善，可以在原有有限状态机的基础上修改状态或状态转换条件即可，其拓展性能强，无需进行重新设计，可扩展性强，提高了实现效率。

Description

基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法

技术领域

本发明涉及一种采样保持控制策略的实现方法，具体讲是一种基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，属于电流调制领域。

背景技术

磁悬浮轴承（简称磁轴承）利用可控电磁力对转子各自由度的位移进行控制，实现对转子的悬浮定位，因而具有低摩擦、低损耗、高转速、无需润滑等优点。在磁轴承的控制系统中，开关型功率放大器（简称开关功放）的作用就是将控制信号转换成线圈中具有驱动能力的电流信号，在磁轴承控制系统中属于执行机构，起着关键作用。除磁轴承铁心外，磁轴承系统的主要损耗由开关功放产生，其引入电流振荡的固有特点是引起损耗的主要原因，因此降低电流振荡是磁轴承开关功放设计中的关键问题之一。

经研究发现，电流三态调制技术能够很好地满足磁轴承系统对开关功放的要求，其中包括有三态脉宽调制（PWM）、三态滞环比较、三态采样保持等诸多控制策略。采用采样保持策略的开关功放具有控制简单、动态响应快、频带宽、受负载影响小等优点，能够很好地适用于磁轴承控制系统。当然，由于采样保持控制策略为电流调制的一种方式，因此也可以广泛应用在诸多电流调制的电力电子功率变换器中。

三态调制的采样保持控制策略是一种逐周期调整的控制方法，目的在于控制实际电流实时跟踪给定信号，其原理是：在每个采样时钟的上升沿，采样保持器检测电流跟踪误差的极性，触发相应的功率器件，此时开关功放处于储能状态（充电）或能量回馈状态（放电）来跟踪给定信号，这种状态一直持续到下一个误差极性信号跳变的产生或本周期的结束；若在同一个周期内误差极性已经跳变，则开关功放切换到能量续流状态。以往，实现该调制过程的方法是通过两级D触发器以及组合逻辑电路来实现的，虽然大量的实践证明了该方法的有效性，但是由于时序逻辑与组合逻辑相结合的电路复杂性，使得电路工作原理不易理解；且在此基础上若想对调制方式进行改进或对电路功能进行增加与完善，则变得极为复杂，甚至可能需要推翻原有的电路结构进行重新设计，这将大大增加控制系统设计的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构原理简单、实现容易，可扩展性强的基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，包括以下步骤：

1）确定基于有限状态机的采样保持控制策略的各工作状态，所述工作状态包括正、反向的充电、续流和放电；

2）依据采样保持控制策略的原理，确定各工作状态之间的转换顺序与转换条件；

3）根据步骤2）确定的各工作状态之间的转换顺序及条件，确定有限状态机的输入和输出信号；

4）仿真验证分析有限状态机各工作状态的转换顺序和时机是否与设定相符；若相符则进行下一步，若不符则重复执行步骤1）至步骤4）进行修正；

5）依据步骤4）验证后的有限状态机的输入和输出信号设计硬件电路。

上述步骤2）的具体过程为：

2.1）在时钟周期上升沿，若电流误差信号大于0，根据给定电流的极性信号判断充电或放电，即给定电流为正向电流时，电流误差为正即充电，为负即放电；给定电流为反向电流时，电流误差为正即放电，为负即充电；所述电流误差等于给定电流减反馈电流；

2.2）在本时钟周期内，若电流误差信号发生变化，则充电/放电转为续流状态；

2.3）在下一个时钟周期上升沿， 继续依据2.1）选择充、放电状态；以此在充电、续流、放电三者之间相互转换；

2.4）若给定电流的极性发生变化，则在正向放电至反向充电或者反向放电至正向充电间进行转化。

作为优选，若在续流过程中电流误差信号发生再翻转，则继续保持续流至本时钟周期结束。

作为优选，所述工作状态还包括复位状态，当过流或过压时由其他工作状态转换至复位状态。

本发明的有益效果在于：（1）由于有限状态机的形式与采样保持控制策略的原理更为相近，因此更易理解、易于实现和修正，控制更加便捷；（2）若要对调制方式、电路功能等进行增加与完善，可以在原有有限状态机的基础上修改状态或状态转换条件即可，其拓展性能强，无需进行重新设计，大大降低成本，提高了实现效率；（3）实现有限状态机所用的FPGA芯片可以同时为控制系统提供逻辑运算、并行处理等辅助功能。

附图说明

图1为实施例中永磁偏置磁轴承全桥式开关功放拓扑结构；

图2为三态采样保持控制策略工作情形1主要波形；

图3为三态采样保持控制策略工作情形2主要波形；

图4 为三态采样保持控制策略各开关状态间的转换顺序；

图5 为改进型三态采样保持控制策略工作情形的主要波形；

图6 为改进型三态采样保持控制策略有限状态机；

图7为具有保护功能的三态采样保持控制策略有限状态机；

图8为基于有限状态机的采样保持控制的功率变换器系统结构图；

图9为基于有限状态机的采样保持控制策略仿真波形；

图10为基于有限状态机的采样保持控制策略实验波形；

图11为基于有限状态机的采样保持控制策略实验波形局部图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

现以适用于永磁偏置磁悬浮轴承的开关功放为例，将本发明技术方案的实施步骤进行详细阐述。此外，由于采样保持控制策略是电力电子功率变换器进行电流调制的一种方式，因此本实施例中所阐述的实施步骤能够广泛适用于不同应用场合下的多种功率变换器。

对于永磁偏置磁悬浮轴承而言，其要求感性的线圈能够流过双极性电流，因此多用图1所示的全桥式开关功放作为功率变换器的拓扑结构，该结构具有4个开关管，因而状态较多。磁轴承开关功放的作用在于，使线圈中的实际电流实时地跟踪给定电流，以提供所希望产生的悬浮力。那么，依据采样保持控制策略的原理：“在每个采样时钟的上升沿，采样保持器检测电流跟踪误差的极性，触发相应的功率器件，此时开关功放处于储能状态或能量回馈状态来跟踪给定信号，这种状态一直持续到下一个误差极性信号跳变的产生或本周期的结束；若在同一个周期内误差极性已经跳变，则开关功放切换到能量续流状态。”因此，本发明实现方法包括以下步骤：

步骤一、确定有限状态机的各状态

从物理意义上划分，负载线圈中有3种工作状态：充电、放电和续流。而考虑到线圈中电流流向的双极性，需要细分这3种工作状态。例如：定义图1中线圈处箭头方向为正方向，那么电流为正向流动时，充电状态需要Q1、Q4管导通；而电流为反向流动时的充电状态是Q2、Q3管导通。因此，工作状态需要细分为以下6种：正向充电1001，正向续流0001，正向放电0000，反向充电0110，反向续流0100，反向放电0000。其中4位序列的数字代表Q1至Q4开关管，其中1代表导通，0代表关断。

步骤二、确定有限状态机的各状态转换顺序及转换条件

要依据采样保持控制策略的原理，明确在何种条件下功率变换器应处于何种工作状态。定义给定电流为SET，其极性信号为ORI，反馈电流为FED，电流误差（SET减FED）极性信号为ERR，时钟为clk。

先以给定为正向电流为例，进行分析。由控制策略原理，可以得到给定电流为正时的主要波形，如图2所示，这里为了标示清楚，ERR的变化有较大滞后，但在实际电路中的滞后较小。具体分析如下：在clk上升沿，若SET大于FED，即ERR大于0，则线圈需要充电；充电过程中，在同一clk周期内，若误差极性ERR发生翻转，则线圈进入续流状态；若在续流过程中ERR始终小于0，并等到了clk下一周期的上升沿，那么此时需线圈放电；此后，在clk同周期内，若ERR翻转为大于0，则再次续流；等到clk下一周期的上升沿，线圈充电。由此往复，在充电、续流、放电三个状态间相互转换，由图2中i_L波形图可见，实际电流即可随时跟踪给定。

在给定为反向电流时，由控制策略原理，可以得到给定电流为负时的主要波形，如图3所示。具体分析如下：在clk上升沿，若SET大于FED，即ERR大于0，则线圈需要放电；放电过程中，在同一clk周期内，若误差极性ERR翻转，则线圈进入续流状态；若在续流过程中ERR始终小于0，并等到了clk下一周期的上升沿，那么此时需线圈充电；此后，在clk同周期内，若ERR翻转为大于0，则再次续流；等到clk下一周期的上升沿，线圈放电。由此往复，在充电、续流、放电三个状态间相互转换，由图3中i_L波形图可见，实际电流即可随时跟踪给定。

此外，如果在给定电流SET为正的前提下变为给定电流SET为负，那么最快的跟踪方式是正向放电至零电流，再反向充电，因此在给定电流SET的极性发生变化的时候，只需要在正向放电至反向充电或者反向放电至正向充电间相互转化即可。如此，即可实现双极性电流下的三态采样保持控制策略。

综上所述，可以得出的各开关状态的转换顺序，如图4所示。由上文得到转换条件的规律如下：在时钟上升沿时，根据给定电流SET的极性以及电流误差极性信号ERR，可以判断出应充电还是放电；在同一时钟周期内，如果电流误差极性信号ERR发生变化，则转为续流态。

步骤三、明确设计有限状态机的输入和输出并进行修正、完善

根据步骤二确定的转换顺序及转换条件，可以得出有限状态机所需的输入信号有电流误差极性信号ERR、给定电流极性信号ORI以及clk时钟信号，输出即为4个开关管的开关信号。

结合步骤四的仿真结果对设计的有限状态机进行修正；在完善设计有限状态机时，需要根据不同的改进方法对有限状态机做相应的修改，举例如下：

（1）改进型采样保持控制策略

在同一clk周期内，电流误差极性ERR发生翻转，则由充、放电状态转为续流状态，而如果在下一clk周期的上升沿到来前，误差极性再一次翻转，则需要考虑下一步的开关状态该如何选择。作为一种采样保持控制策略的改进方法：如图5中虚线圈处，在续流过程中，电流误差极性信号ERR再次变化，此时并不进行充电继续跟踪，而是保持续流，如此可以严格地限制开关频率。也就是说，在续流状态向充、放电状态转换时，必须有一前提：clk的上升沿到来。

综上，根据步骤二得到的各状态转换顺序，以及上述得到的改进型策略，可以得到图6改进型三态采样保持控制策略的有限状态机。在图6由续流状态向充、放电状态转换时，clk↑（上升沿）为一前提条件。可见，实现控制策略的改进，只需要对有限状态机中状态转换条件进行完善即可实现，无需重新设计状态转换顺序。

（2）增加复位保护信号

当功率电路过流或过压时，需要开关管全部关闭以保护功率电路以及负载的安全。因此，在所设计的有限状态机基础上，可以添加RESET，即复位信号。在该信号的作用下，无论有限状态机处于何状态，都需要转为关闭所有开关管的状态。因此在图6的基础上进行改进，即可得到图7所示的具有保护功能的采样保持控制策略有限状态机。即无论处于正向或是反向的充电、放电、续流中的任何一个状态，一旦RESET<0（需要复位），均要转换至复位态0000，并保持不变；而处于复位态时，一旦RESET>0（不需要复位），则进行正常6个工作状态的转换过程。可见，只需要多增加一个状态（复位状态0000）及相互转换的条件即可实现复位保护功能。

步骤四、设计有限状态机功能的仿真验证

根据功率变换器系统及采样保持控制策略有限状态机的输入、输出信号，得到功率变换器系统结构图，如图8所示。根据所设计的有限状态机，利用Matlab/Simulink仿真工具中的Stateflow模块，搭建图7所示有限状态机；并依据图8搭建功率变换器系统模型，进行仿真验证；如果达到预定的性能及功能要求，则表明所设计的有限状态机是合理的。如图9所示，给定电流可以实时跟踪给定，并通过电流跟踪波形，可以分析充电、续流、放电各状态的转换顺序和时机是否与有限状态机的设计相符。如果以上两点均满足，则说明有限状态机设计正确且合理。

若系统功能有缺陷或性能不佳，则需要针对仿真结果进行相应修正即可。如：若反馈电流不能跟踪给定电流，先判断开关管信号与电流变化趋势是否相符，如果相符则说明功率变换器模型无误；接下来分析给定、反馈信号，看ERR、ORI信号是否正确，如此可判断信号调理部分是否有误；如以上两部分均无误，则说明有限状态机建模有问题，那么根据此时仿真模型中的ERR、ORI以及clk信号，分析此时所对应有限状态机状态是否合理，如果不合理，即修正对应的状态转换条件。图7所示有限状态机即为在仿真过程中多次修正，得到的能够正确实现改进型采样保持控制策略的有限状态机。

步骤五、硬件实现与实验

在仿真有效的前提下，针对所设计的有限状态机设计相应的硬件电路，包括图8中所示的信号调理电路、FPGA最小系统电路（有限状态机的载体）、功率变换器电路（功率管驱动、全桥电路）以及辅助电源4个组成部分；完成有限状态机程序的编写并烧写；硬件实验调试。

通过观察图10所示的实验波形，可以判断反馈电流准确跟踪给定电流（本实验设置给定3V对应反馈4A）；同时根据图11的波形局部图，可以判断跟踪过程在充电、续流状态间相互转换，且开关频率严格控制在所设clk信号频率，即50kHz。类似图11，通过观测跟踪波形的所有局部范围，可以看出跟踪过程各状态的相互转换与预设一致，且开关频率控制在50kHz。从而，通过实验表明实现了基于有限状态机的采样保持控制策略的方法。

在本实施例中采用现场可编程门阵列（FPGA）芯片实现在本发明的技术方案。在具体应用过程中，本发明技术方案也可以基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）来实现。

综上所述，由于有限状态机的形式与采样保持控制策略的原理更为相近，如图7所示，因此在结合控制策略原理的情况下，相比于“两级D触发器+组合逻辑电路”的实现方式来说，有限状态机形式更易理解，易于实现；在对调制方式进行改进时，仅在原有有限状态机的基础上修改状态或状态转换条件即可，如改进型采样保持控制策略的实现；要对电路功能进行增加与完善时，则在原有有限状态机基础上增加状态与状态转换条件即可，如图6到图7的过程；此外，实现有限状态机所用的FPGA芯片可以同时为控制系统提供逻辑运算、并行处理等辅助功能。因此，本发明使采样保持控制策略的实现与完善过程变得极为便捷，这对快速实现功率变换器的工作要求和工作性能具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

1）确定基于有限状态机的采样保持控制策略的各工作状态，所述工作状态包括正、反向的充电、续流和放电；

2）依据采样保持控制策略的原理，确定各工作状态之间的转换顺序与转换条件；

3）根据步骤2）确定的各工作状态之间的转换顺序及条件，确定有限状态机的输入和输出信号；

4）仿真验证分析有限状态机各工作状态的转换顺序和时机是否与设定相符；若相符则进行下一步，若不符则重复执行步骤1）至步骤4）进行修正；

5）依据步骤4）验证后的有限状态机的输入和输出信号设计硬件电路。

2.根据权利要求1所述基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，其特征在于所述步骤2）的具体过程为：

2.1）在时钟周期上升沿，若电流误差信号大于0，根据给定电流的极性信号判断充电或放电，即给定电流为正向电流时，电流误差为正即充电，为负即放电；给定电流为反向电流时，电流误差为正即放电，为负即充电；所述电流误差等于给定电流减反馈电流；

2.2）在本时钟周期内，若电流误差信号发生变化，则充电/放电转为续流状态；

2.3）在下一个时钟周期上升沿，继续依据2.1）选择充、放电状态；以此在充电、续流、放电三者之间相互转换；

2.4）若给定电流的极性发生变化，则在正向放电至反向充电或者反向放电至正向充电间进行转化。

3.根据权利要求2所述基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，其特征在于：若在续流过程中电流误差信号发生再翻转，则继续保持续流至本时钟周期结束。

4.根据权利要求1至3任一项所述基于有限状态机的采样保持控制策略的实现方法，其特征在于：所述工作状态还包括复位状态，当过流或过压时由其他工作状态转换至复位状态。