CN1050622A - 反馈系统控制装置及其在放大器和伺服系统中的应用 - Google Patents

Abstract

一个反馈系统控制装置，包括一个从一分析信号 和一校正信号产生一控制信号的加法器。一处理该 控制信号的系统驱动所述反馈系统，此反馈系统产生 一输出信号。一个从一输入信号和上述输出信号产 生上述校正信号的校正器。一四极网络接收上述输 入信号，并产生所述分析信号。上述校正器中的一误 差放大器处理在上述输入信号与所述输出信号之间 的差值，以产生一误差信号。两个处理器，其中每一 个接收该误差信号并产生各自的修正信号，在这两个 修正信号之间有一相对相移。在每个处理器中的一 加法器对所述那些修正信号求和，以产生上述校正信 号。

Description

本发明涉及一种用于例如放大器或伺服系统这样一种反馈系统的控制装置。

这种至少包含一反馈回路的装置具有一些稳定性方面的缺点，这些缺点是由前面的通路和该反馈回路所引起的那些相差造成的。带有一输出变压器的一些放大器就是这种情况。例如，电容性负载会出现一些振荡，同样，一些D类放大器也会出现一些振荡，这些D类放大器在开关方式工作时需要用一些电感器和电容来滤波。如果在某一特定频率的相移达到360°，系统就会振荡起来。这就限制了有用的反馈量（此点直接影响精度）及带宽。上述系统必须满足一些已知的特别要求，特别是满足尼奎斯特判据（Nyquist  Criterion）。

本发明的一个目的是提供一种反馈系统控制装置，该装置具有高精度，但该高精度并不损害稳定性。

本发明所述装置构成如下：一个包含加法器的反馈系统控制装置，该加法器适于从一分析信号及一校正信号产生一控制信号;一个用于处理所述控制信号并驱动所述反馈系统的系统，所述反馈系统适于产生一输出信号;一个适于从一输入信号和所述输出信号产生所述校正信号的校正器;一个适于接收所述输入信号并产生所述分析信号的四极网络;一个在所述校正器中，适于处理所述输入信号和所述输出信号之间的差并产生一误差信号的误差放大器;两个处理器，其中每一个都适于接收所述误差信号并产生各自的修正信号，两修正信号之间有一相对相移;在每个处理器中、适于对所述那些修正信号求和以产生所述校正信号的加法器。

在第一个实施例中，上述四极网络输出一等于上述输入信号的分析信号。

在第二个实施例中，上述四极网络是一高通滤波器。

上述反馈系统控制装置中的校正器包含一误差放大器，此放大器处理上述输入信号和上述输出信号之间的差值，以产生一误差信号，在所述误差放大器后紧跟两个处理器，每个处理器接收上述误差信号并产生修正信号，两修正信号之间有一相移;上述反馈系统控制装置中的校正器还包含一加法器，此加法器对上述两修正信号求和，以给出上述校正信号。

上述反馈系统控制装置的校正器包括一误差放大器，此放大器处理上述输入信号和所述输出信号之间的差，在这放大器后紧跟一选频放大器，这选频放大器产生一误差信号，在此选频放大器后紧跟两个处理器，每个处理器接收上述误差信号并产生修正信号，两修正信号有一相差;上述反馈系统控制装置的校正器还包括一加法器，此加法器对所述两修正信号求和，以给出上述校正信号。

上述反馈系统控制装置中的那些处理器中，至少有一个包括：一移相器，此移相器接收前述分析信号并产生一被移相的信号及上述误差信号并产生一选出信号;一接收这选出信号的放大器，该放大器后紧跟一乘法器，此乘法器得出这被移相了的信号和上述放大器的输出信号的乘积，并输出上述修正信号。

上述反馈系统控制装置中的那些处理器中，至少有一个包括：一移相器，此移相器接收上述输入信号并产生一被移相的信号;一误差提取器，此误差提取器接收这移相了的信号及上述误差信号，并产生一选出信号;一接收选出信号的放大器，该放大器后紧跟一乘法器，此乘法器产生这被移相了的信号和上述放大器的输出信号的乘积，并输出上述修正信号。

在第一个实施例中，上述误差提取器是一模拟乘法器，上述选出信号是所述被移相了的信号和所述误差信号的乘积。

在第二个实施例中，上述误差提取器包括：一信号整形器，此整形器接收上述被移相了的信号后，产生一方波信号;一同步检测器，此检测器的逻辑输入是所述方波信号，而此检测器的模拟输入是上述误差信号，由此误差信号产生上述选出信号。

上述反馈系统控制装置中最好采用积分器作为至少一个处理器的放大器。

在上述反馈系统控制装置的一个实施例中，至少一个处理器的放大器包括一低通滤波器，该低通滤波器后面紧跟一放大器。

在上述反馈系统控制装置中，所述乘法器包括一限制器和一低通滤波器。

在第一种选择方案中，上述反馈系统控制装置中的两个处理器都包括一移相器，这两个移相器产生的相移是不同的。

在第二种选择方案中，上述反馈系统控制装置中的一个处理器不带有移相器，而在另一个处理器上施加了一个90°的相移。

最后，上述产生所述误差信号的加法器和上述产生所述校正信号的加法器并组合成一个三端输入的加法器。

本发明可应用于控制一放大器或一伺服系统。

下面参照附图，由下述这些实施例的说明，更详细地说明本发明的目的及诸特征，这些实施例是非限定性的例子。

图1是本发明的一反馈系统控制装置的一方块图。

图2显示了一校正器。

图3显示了另外的校正器。

图4显示了一处理器。

图5显示了一误差提取器的一个实施例。

图6显示了一信号整形器的功能。

图7显示了一同步检测器的功能。

图8显示了另外一个处理器。

图9显示了一反馈系统控制装置的一个实施例。

图10显示了一反馈系统控制装置的第二个实施例。

在多张附图中出现的同一部件具有相同的参考标号。

图1所示的本发明的控制装置包括一加法器1，此加法器1由一输入量3及一校正信号4产生一控制信号2。该控制信号然后被送入一放大器5，放大器5的输出驱动要被控制的系统6。这系统以一输出信号7的形式给出控制信息。校正信号4在一校正器8中产生，校正器8把上述输入信号和上述输出信号结合起来。

图2所示的校正器8包括一呈误差放大器9的形式的输入级。误差放大器9产生一误差信号10，误差信号10代表输入信号3和输出信号7之间的差。这误差信号驱动两处理器11、12，处理器11、12产生修正信号13、14。然后，加法器15对这两个信号求和，加法器15的输出信号就是校正信号4。

图3所示的另一个校正器8还包括一选频放大器30，此放大器30从误差放大器9接收上述输出信号并产生误差信号10，将这选频放大器8调到输入信号3的基频并抑制误差放大器9的上述输出中存在的诸诣波信号。

图4所示的处理器包括一移相器16，此移相器16接收输入信号3并给予误差提取器20一被移相了的信号。此误差提取器也接收误差信号10，在第一个实施例中，该误差提取器是一模拟乘法器，此模拟乘法器将施加在它输入端的上述两个信号相乘;它给出一选出信号29。在图5所示的第二个实施例中，误差提取器20包括一信号整形器31，此信号整形器31由一周期性信号18产生一同样周期的方波逻辑信号19，此信号如图6所示。将此方波信号送到一同步检测器33的逻辑输入端。这检测器的功能象征性地如图7所示。该检测器具有一逻辑输入端和一模拟输入端，如果逻辑输入端23被启动，则它的输出端给出施加到上述模拟输入端的信号22;或者，如果这逻辑输入端未被启动，所述检测器就在它的输出端给出信号22的补码。如果输入信号22是正弦形的，而且与被施加到上述逻辑输入端的上述信号频率相同，那么输出信号21的平均值24正比于这两个信号之间相移的余弦。

误差信号10被施加到同步检测器33的上述模拟输入端，这检测器输出被送到一放大器25。

在一个实施例中，这放大器是一积分器。在另一实施例中，它是一高增益放大器并包括一低通滤波器。在这两种情况，都将时间常数选得远远大于输入信号3的周期。

最后，这处理器包括一乘法器26，此乘法器26将来自移相器16的被移相了的信号与来自放大器25的上述输出信号作乘积;结果就是一修正信号13、14。

图8所述的上述处理器的实施例中，上述乘法器被一限制器所代替。在该图中，移相器16和误差提取器20之间的虚线表示后者是一模拟乘法器的情况，联结信号整形器31与所述误差提取器的实线表示后者是一同步检测器的情况。上述限制器包括一模拟开关27，此开关27具有一逻辑输入端和一模拟输入端，如果它的逻辑输入端被启动，此开关27将把施加到它模拟输入端的信号传递到它的输出端;否则，将不传递该信号。来自放大器25的输出信号被施加到上述模拟输入端，而来自信号整形器17的输出信号被送到它的逻辑输入端。将一低通滤波器28装在这模拟开关27的输出端，以消除直流成份及诸诣波并仅保留来自信号整形器31的输出信号的基频信号。

在一个特定的实施例中，第一处理器如上所述，它的移相器引入了一个相移（例如90°），第二个处理器除了不包括任何移相器外，其余都与第一处理器相同。更一般地，可采用两个处理器，每个包括一个移相器以产生不同的相移。

因此，上述控制装置显然能通过将两修正信号13，14加到输入信号3上来施行矢量校正，修正信号13、14对控制信号2的相位及振幅起作用。

为说明清楚起见，加法器1（图1）和15（图2）被显示为两个分立的单元，但加法器1和15显然可被结合成一具有三个输入端的单一单元。

现在已说明了上述装置的各个组成部分，下面将更详细地说明它的工作过程。

当上述装置接通时，没有校正信号4，因此，输入信号3处在放大器5的输入端。受控制的系统6产生一输出信号7。误差放大器9产生一误差信号10，误差信号10在选择滤波后被加到每个处理器11、12上。

在每个处理器中，在放大器25输出端的电压随上述误差信号变化。此电压被施加到乘法器26，以校正上述输入信号，这样就可减弱所述误差信号的幅度。如果放大器25是一积分器，它的输出越来越慢地靠近一表示零误差的平衡值。如果该放大器包括一低通滤波器，所述误差并未消除，但正比于此放大器增益的倒数，使所述误差处于上述装置的技术要求范围内，可把所述放大器的增益选得足够高。

如果被控制的系统6中出现一个变化（例如，在一放大器情形时，在负载中的某个变化），上述处理器的动作如上所述。

将关于一个处理器的这些考虑用于另一个处理器，以及两个处理器联合使用的情形，就能消除所述误差信号的两种成份，或将这两种成分减少到一个满意的程度，这样就达到了本发明的目的。

重要的是注意，上述控制装置的敏感元件是放大器9。当由于其它一些元件，特别是由于上述各乘法器和移相器所产生的那些误差被上述回路补偿时，正是这个元件的精度决定了上述控制装置的精度。特别是由选频放大器30所引起的相位旋转没有影响。

这种装置可以用在一些伺服控制的放大器上，特别是在一些用于保护和监控电力配送网络中的放大器上。这种类型的放大器具有极高的功率放大系数，并将一由电容分压器产生的几毫瓦的信号放大为50或100伏安的量级。它们具有一种保护功能，因此必须在高速动作时达到3%的精度。它们还具有一种测量功能，此功能要求在一长的平均值测量周期范围达到0.2%的精度。

上述装置还可用在象伺服系统这样的一些控制系统上。

在上述反馈系统控制装置的一个实施例中，考虑到了上面讨论的所有这些情况。这装置进一步还包括例如象一滤波器这样的一四极网络37，此网络37接收输入信号3。在图9所示的第一个实施例中，这滤波器产生一输出信号，此输出信号代替输入信号3被加到加法器1上。

在图10所示的第二个实施例中，来自滤波器37的上述输出信号如前面一样被施加到加法器1，但它还代替输入信号3加到两个处理器11、12各自的移相器16上的输入端。

滤波器37是一高通滤波器，滤波器37消除那些不想要的直流或非周期性的成份，这些成分在那些瞬变件下存在于输入信号3中。

在利用一电容分压器测量-电力配电系统线路的高电压的情况下，该分压器的输出信号构成上述控制装置的输入信号3，而且还包括那些不想要的成分。当所述线路开路时，特别是在断路器断开之后，此线路具有极大的时间常数。如果上述装置在一段短于这时间常数的时间中重新接通，接收一个与某一个高电压大小相等的电压（该电压比上述测量电压小）的上述电容分压器的电容器将不放电，而且来自此分压器的上述输出信号将是所述测量信号本身和一寄生信号之和，该寄生信号象一电容器的放电那样振幅按指数衰减。

滤波器37能消除这寄生信号及所有伴随它的不足之处。

Claims (16)

1、一种反馈系统控制装置，包括：一用于从一分析信号和一校正信号产生一控制信号的加法器；一用于处理所述控制信号、并驱动适于产生一输出信号的所述反馈系统的系统；一用于从一输入信号和所述输出信号产生所述校正信号的校正器；一适于接收所述输入信号并产生所述分析信号的四极网络；一个在所述校正器中、适于处理在所述输入信号和所述输出信号之间的差、并产生一误差信号的误差放大器；两个处理器、其中每一个都适于接收所述误差信号及产生各自的修正信号，在这两个修正信号之间有一相对相移；在每个处理器中的一个加法器，适于对所述那些修正信号求和，以产生所述校正信号。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述四极网络输出一与所述输入信号相同的分析信号。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述四极网络是一高通滤波器。

4、如权利要求3所述装置，其特征在于：所述校正器包括：一误差放大器，此放大器处理所述输入信号和所述输出信号之间的差值，以产生一误差信号;紧跟在该误差放大器后的两个处理器，每个接收器接收所述误差信号并产生修正信号，这两个修正信号之间有一相移;一加法器，它能对所述两个修正信号求和、并给出所述校正信号。

5、如权利要求3或4所述装置，其特征在于：上述校正器包括一个处理在所述输入信号和所述输出信号之间的差值的误差放大器;紧跟在该误差放大器后的一选频放大器产生一误差信号;紧跟在此选频放大器后的两个处理器，每个处理器接收上述误差信号并产生修正信号，这两个修正信号之间有一相差;一个加法器能对所述两个修正信号求和，以给出所述校正信号。

6、如权利要求3或4所述装置，其特征在于：所述那些处理器中至少有一个包括：一个接收所述分析信号并产生一被移相了的信号的移相器;一接收所述被移相了的信号及所述误差信号、并产生一选出信号的误差提取器;一个接收所述选出信号的放大器;一个紧跟在该放大器后、用于产生所述被移相了的信号与所述放大器的所述输出信号的乘积，并提供所述修正信号的乘法器。

7、如权利要求5或6所述装置，其特征在于：所述那些处理器中至少有一个包括：一接收所述输入信号并产生一被移相了的信号的移相器;一接收所述被移相了的信号及所述误差信号、并产生一选出信号的误差提取器;一接收所述选出信号的放大器;一个紧跟在该放大器后、用于产生所述被移相了的信号及所述放大器的上述信号的乘积、并提供上述修正信号的乘法器。

8、如权利要求5或6所述装置，其特征在于：所述误差提取器是一模拟乘法器，所述选出信号是所述被移相了的信号和所述误差信号的乘积。

9、如权利要求5至8中任何一个所述装置，其特征在于所述误差提取器包括：一信号整形器，此信号整形器接收所述被移相了的信号以产生一方波信号;一同步检测器，该同步检测器的逻辑输入是所述方波信号，而此检测器的模拟输入是所述误差信号，由此误差信号产生所述选出信号。

10、如权利要求5至8中任何一个所述装置，其特征在于：至少一个处理器的放大器是积分器。

11、如权利要求5至10中任何一个所述装置，其特征在于：至少一个处理器的所述放大器包括一低通滤波器，此低通滤波器后紧跟一放大器。

12、如权利要求1至11中任何一个所述装置，其特征在于：所述乘法器包括一限制器及一低通滤波器。

13、如权利要求1至12中任何一个所述装置，其特征在于：两个处理器都各自包括一移相器，所述两个移相器所产生的相移是不同的。

14、如权利要求1至13个中任何一个所述装置，其特征在于：一个处理器没有移相器，而另一个施加了一个90°的相移。

15、如权利要求1至14个任何一个的装置，用于控制一放大器。

16、如权利要求1至14中任何一个的装置，用于控制一伺服系统。

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