CN108964510A - 一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法，本发明通过判断多相交替导通电路输入脉冲是否处于跳变阶段，在该阶段对前馈控制器增加一个变增益前馈参数，采用DSP控制器计算主功率电路的输出电流采样信号、电感电流信号及脉冲输入电流基准信号；计算得到输出电流采样信号与脉冲输入电流基准信号的差值信号，计算误差系数比，比较误差系数比与前馈启动阈值，满足条件，则对误差系数比进行阈值区间划分，匹配前馈变增益参数，输入前馈控制器。本发明通过在线算法实现对激光负载模块是否使用变增益前馈控制模式的有效判断，实现对激光负载瞬态电流上升率的调整与系统性能的优化。

Description

一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术控制领域，具体涉及一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法。
背景技术
如附图1所示，现有技术激光电源模块的DSP控制器部分没有前馈判断方法。DSP控制器计算采样信号Isense与采样信号Iref的差值Ierror后，会直接把Ierror提供给电流外环控制器。由于激光器多使用脉冲电流激励触发运行，对电流上升率要求严格。而且，激光设备昂贵，若触发脉冲电流过冲，则导致激光器易于损坏。在这种情况下，针对激光负载瞬态电流的控制尤为必要，而现有激光电源控制器部分没有设置前馈判断方法，信号Isense与信号Iref之间的误差值就会直接通过电流外环、内环控制器反映到输出交替导通PWM模块上，无法对瞬变的Ierror信号进行及时调制，导致输出电流上升率低、过冲明显，降低了激光电源模块的性能，同时增大了激光器的不稳定性因素。
发明内容
为了克服传统激光电源的模拟控制在输出电流调整上的不足和单管开关频率过高的问题，结合数字控制的优点与灵活性，本发明提出一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法。
本发明基本原理是将激光电源主功率电路分为多相电路交替导通，从而有效避免了单管开关频率过高的不足，以及在控制中采用数字控制的方式，从而克服了传统电源模拟控制电路结构复杂、易受环境干扰、参数调整不便和产品开发周期较长的不足。
本发明采用如下技术方案：
一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法，包括DSP控制器、主功率电路、A/D转换器、电流传感器及激光负载，所述DSP控制器内置包括电流内环控制器、电流外环控制器、前馈控制器及交错PWM控制器，具体步骤如下：
DSP控制器接收主功率电路的输出电流采样信号、电感电流信号及脉冲输入电流基准信号；
计算得到输出电流采样信号与脉冲输入电流基准信号的差值信号Ierror，计算差值信号Ierror的绝对值|Ierror|，然后，计算误差系数比α＝|Ierror|/Iref，比较误差系数比α与前馈启动阈值β；
如果α大于β，开启前馈控制器，进入下一步骤；如果α不大于β，则不进行任何操作，并等待下一次差值信号，进行判断；
若满足α大于β，则对误差系数比α进行阈值区间划分，根据阈值区间划分对每个阈值区间匹配相对应的前馈变增益参数K，使得在这个瞬态过程，占空比维持在百分之四十到百分之七十之间；
前馈控制器的输出信号与差值信号输入电流外环控制器，然后与电感电流信号相减的差输入电流内环控制器，进一步控制交错PWM控制器控制主控率电路。
所述主功率电路由四路Buck电路并联构成，所述PWM控制器依次导通四路Buck电路。
所述对误差系数比α进行阈值区间划分，其阈值区间平均划分为五个区间，分别为(α1，α2)、(α2，α3)、(α3，α4)、(α4，α5)、(α5，α6)，α1＝β，α2＝β+Δ，α3＝β+2Δ，α4＝β+3Δ，α5＝β+4Δ，α6＝β+5Δ，其中Δ＝0.5β，β＝0.4。
对误差系数比每个阈值区间匹配相对应的前馈变增益参数K＝(k1＝1.3,k2＝1.4,k3＝1.5,k4＝1.6,k5＝1.7)。
所述PWM控制器输出PWM波形相互错开90度。
本发明的有益效果：
(1)不同于现有技术激光电源模块，本发明在DSP控制器部分增加了前馈判断软件方法，使激光电源模块能够判断出当前脉冲调制电流是否处于跳变阶段，从而在激光电源模块控制器中启动前馈控制器，确定前馈变增益参数，从而有效提高了输出电流上升率，对激光负载瞬态电流进行了控制，避免了电流上升率低和电流过冲现象对激光器的影响。且所述前馈判断方案通过软件实现，结构简单，可应用于各种使用DSP芯片实现的激光电源模块中。
(2)本发明公开的前馈判断软件方案易于修改参数，适应性强，能够提高激光器的工作性能，降低了成本。
附图说明
图1是现有技术中针对激光负载模块的多相交替导通电流数字控制的示意图；
图2是本发明的一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制的示意图；
图3是本发明的前馈判断方法的流程图；
图4是本发明实施例的具体电路控制图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图2及图3及图4所示，一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法，包括DSP控制器、主功率电路、A/D转换器、电流传感器及激光负载，所述DSP控制器内置包括电流内环控制器、电流外环控制器、前馈控制器及交错PWM控制器，如图3所示，主功率电路为四路Buck电路并联而成，各相PWM波形相互错开90度，本实施例中主功率电路为多相交替导通主功率电路,A/D转换器在附图中记为A/D。
其技术规格如下：输入电压范围80～130V，输入外接电容220μF，输入电感8μH，开关频率400KHz，输出电流0～16A，输出电流纹波250mA，输出电流开机过冲幅度5％，输出外接电容10μF。调制工作技术要求：基准电流信号与输出电流为线性关系，0.04V～1.6V跳变，频率100HZ，占空比50％，激光负载。
本实施例还包括AD转换器，在图中简写为AD，AD转换器将输出电流信号Isense、脉冲输入电流参考信号Iref，电感电流IL转换为数字信号。
具体步骤如下：
步骤一DSP控制器接收主功率电路的输出电流采样信号、电感电流信号及脉冲输入电流基准信号；
步骤二计算得到输出电流采样信号与脉冲输入电流基准信号的差值信号Ierror，计算差值信号Ierror的绝对值|Ierror|，然后，计算误差系数比α＝|Ierror|/Iref，比较误差系数比α与前馈启动阈值β；
步骤三如果α大于β，开启前馈控制器，进入下一步骤；如果α不大于β，则不进行任何操作，并等待下一次差值信号，进行判断；
若满足α大于β，则对误差系数比α进行阈值区间划分，根据阈值区间划分对每个阈值区间匹配相对应的前馈变增益参数K，送入前馈控制器，使得在这个瞬态过程，占空比维持在百分之四十到百分之七十之间。
所述阈值划分，具体是对误差系数比进行阈值区间划分，其中阈值区间划分为(α1，α2)、(α2，α3)、(α3，α4)、(α4，α5)、(α5，α6)。在本实施例中，取α1＝β，α2＝β+Δ，α3＝β+2Δ，α4＝β+3Δ，α5＝β+4Δ，α6＝β+5Δ，其中Δ＝0.5β。
根据误差系数比α的阈值区间，获取对应的前馈变增益参数K＝(k1,k2,k3,k4,k5)，启动前馈控制器，直到获得理想的实际输出电流上升率。在本实施例中，对应α∈[αi,αi+1]，(i＝1～5)，取K＝(k1＝1.3,k2＝1.4,k3＝1.5,k4＝1.6,k5＝1.7)。
本实施例中β＝0.4。若α＞0.4，说明脉冲输入电流参考信号Iref处于跳变阶段，此时启动前馈控制，并进入下一步骤。
步骤四前馈控制器的输出信号与差值信号输入电流外环控制器，然后与电感电流信号相减的差输入电流内环控制器，进一步控制交错PWM控制器控制主控率电路。
所述前馈启动阈值β的取值依据实际电路而定。
所述针对误差系数比α的阈值区间划分取值根据激光器所需触发脉冲电流上升率进行微调。
如图1所示是现有技术多相交替导通激光电源模块负载电流数字控制工作的示意图，DSP控制器部分没有设置前馈判断软件，DSP控制器计算采样信号Isense与采样信号Iref的差值Ierror后，会直接把Ierror提供给电流外环控制器。信号Isense与信号Iref之间的误差值就会直接通过电流外环、内环控制器反映到输出交替导通PWM模块上，无法对瞬变的Ierror信号进行及时调制，导致输出电流上升率低、过冲明显，降低了激光电源模块的性能，同时增大了激光器的不稳定性因素。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对激光负载的多相交替导通电流数字控制实现方法，包括DSP控制器、主功率电路、A/D转换器、电流传感器及激光负载，其特征在于，所述DSP控制器内置包括电流内环控制器、电流外环控制器、前馈控制器及交错PWM控制器，具体步骤如下：
DSP控制器接收主功率电路的输出电流采样信号、电感电流信号及脉冲输入电流基准信号；
计算得到输出电流采样信号与脉冲输入电流基准信号的差值信号Ierror，计算差值信号Ierror的绝对值|Ierror|，然后，计算误差系数比α＝|Ierror|/Iref，比较误差系数比α与前馈启动阈值β；
如果α大于β，开启前馈控制器，进入下一步骤；如果α不大于β，则不进行任何操作，并等待下一次差值信号，进行判断；
若满足α大于β，则对误差系数比α进行阈值区间划分，根据阈值区间划分对每个阈值区间匹配相对应的前馈变增益参数K输入前端控制器；
前馈控制器的输出信号与差值信号输入电流外环控制器，然后与电感电流信号相减的差输入电流内环控制器，进一步控制交错PWM控制器控制主控率电路。
2.根据权利要求1所述的多相交替导通电流数字控制实现方法，其特征在于，所述主功率电路由四路Buck电路并联构成，所述PWM控制器依次导通四路Buck电路。
3.根据权利要求1所述的多相交替导通电流数字控制实现方法，其特征在于，所述对误差系数比α进行阈值区间划分，其阈值区间平均划分为五个区间，分别为(α1，α2)、(α2，α3)、(α3，α4)、(α4，α5)、(α5，α6)，α1＝β，α2＝β+Δ，α3＝β+2Δ，α4＝β+3Δ，α5＝β+4Δ，α6＝β+5Δ，其中Δ＝0.5β。
4.根据权利要求3所述的多相交替导通电流数字控制实现方法，其特征在于，对每个阈值区间匹配相对应的前馈变增益参数K＝(k1＝1.3,k2＝1.4,k3＝1.5,k4＝1.6,k5＝1.7)。
5.根据权利要求1所述的多相交替导通电流数字控制实现方法，其特征在于，所述PWM控制器输出PWM波形相互错开90度。
6.根据权利要求1所述的多相交替导通电流数字控制实现方法，其特征在于，β＝0.4。
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