CN110535341A - 一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器 - Google Patents

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Abstract

一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器，高压输入电源通过两个相同的电容支撑；开关电路由两个不对称的桥臂组成，其中上桥臂为开关管、开关管和反向二极管依次串联，电解电容中点与上桥臂开关管连接点通过正向二极管连接，开关管与桥臂反向二级管连接点为电路输出的正端；下桥臂为反向二级管、开关管和开关管依次串联，电解电容中间点与下桥臂开关管连接点通过反向二极管连接，开关管与桥臂反向二级管连接点为电路输出的负端；上、下桥臂两端分别与电源正负端连接。通过用于电磁铁电流控制的脉冲生成器和调节电解电容均压的脉冲分配器产生控制开关管的控制脉冲。本发明可以使电磁铁电流的动态速度提升两倍，或使电磁铁电流纹波减小一半。

Description

一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器
技术领域
本发明涉及磁浮技术领域，特别是一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器。
背景技术
磁浮技术诞生于二十世纪三十年代，经过几十年的发展，已经在包括磁浮列车交通运输在内的多个领域得到应用。磁浮列车利用电磁吸引力或者电磁排斥力使车体悬浮于轨道之上，列车与轨道之间没有接触，省去了车轮以及传动装置。这样就克服了车辆与轨道之间的接触和磨损，旅客乘坐起来更舒适更平稳，功率损耗也更小。利用通电以后产生电磁力的常导电磁体与导磁体之间的吸引力将列车悬浮起来，称之为电磁吸力悬浮方式。迄今为止，上海龙阳路高速磁浮和长沙机场磁浮都是采用这种悬浮形式。在这种悬浮形式中，悬浮轨道和悬浮电磁铁之间产生悬浮力，悬浮力和气隙的平方成反比，悬浮系统自身不稳定，需要采用气隙闭环反馈控制，通过检测气隙去调节电磁铁电流实现悬浮轨道和悬浮电磁铁稳定在一个固定的间隙上。实际中，用于调节电磁铁电流的装置称为悬浮电流控制器，悬浮电流控制器通常采用传统的桥式斩波器电路，也称为悬浮斩波器。
传统的悬浮斩波器因其结构简单，控制方便而得到比较广泛的应用，但是这种结构的悬浮斩波器输入电压高时，电流的动态变化快，但同时产生电流波动大以及对占空比敏感等问题。
目前，磁浮列车中，悬浮电流控制器的输入电压为330V直流电压，这个电压需要通过专门的电源变换装置对地面供电电压进行转换，并且构成车载的330V直流电源电网，而330V电压转换为其他车载设备电源时，比如三相380V交流电源时，面临电压低的问题。如果悬浮电流控制器可以采用600V或者750V电压输入电压，这样可以简化车辆供电系统，提高悬浮电流控制器的动态特性，但同时面临电流波动大，控制困难等问题。
此外，悬浮电流控制器的电流动态速度与输入电压成正比，输入电压越高，电流动态变化越快，这对于悬浮控制系统来说，电流变化快电磁力的变化速度就快，所以悬浮系统响应外界扰动的能力就强。但由于电磁铁电流采用开关电路控制，开关周期一定的情况下，输入电压高意味着每个开关周期内电流的变化大，也就是纹波电流大，纹波电流大意味着悬浮系统存在扰动比较大。
发明内容
本发明提出了一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器，可以在输入2倍传统悬浮电流控制电路输入电压时，仍可以保持同样的纹波电流；如果输入同样电压，电路输出纹波可以减小一半。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器，包括依次串联的参数一致的电解电容C1和C2，C1的正端连接到电源的正极，C2的负端连接到电源的负极；还包括开关管T1、开关管T2和反向二极管D2依次串联构成的上桥臂，上桥臂的两端分别连接到电源正、负极，C1和C2串联的中点与T1和T2的连接点通过正向二极管D3连接；T2与D2的连接点为电路输出的正端；还包括反向二极管D1、开关管T3和开关管T4依次串联构成的下桥臂，下桥臂的两端分别连接到电源正、负极，C1和C2串联的中点与T3和T4的连接点通过反向二极管D4连接；D1与T3的连接点为电路输出的负端；还包括脉冲生成器，脉冲生成器的第一输入端连接到电路输出的负端，第二输入端用于电流给定输入；还包括脉冲分配器，脉冲分配器的第一输入端连接到脉冲生成器的输出端，第二输入端连接到电源正极，第三输入端连接到C1和C2串联的中点；脉冲分配器的输出端分别连接到T1、T2、T3和T4的控制端P1、P2、P3和P4。
和传统的悬浮斩波器相比，该电路在结构上通过电容串联分压，将输入电源劈为两个相等的电源，这样在输出电磁铁上除了可以得到传统悬浮斩波器的正输入电源电压，零电压和负输入电源电压外，还可以得到正二分之一输入电源电压，负二分之一输入电源电压。电磁铁上的电压和控制周期决定了，每一个周期电感电流的波动，也就是纹波的大小，同样大小的电感，电压越高，纹波越大，周期越大，纹波越大；同时电压越高，电磁铁电流的变化速度越快，系统的动态特性越好。
本发明可以产生两种有益的效果，一种是保证电磁铁电流纹波不变的情况下，输入电压可以提升为原来的两倍，此时电磁铁电流的动态速度可以提升两倍；另一种就是保证输入电压不变的情况下，可以使得电磁铁电流纹波减小一半。输入电压提高有利于车载系统电网进行优化，而电磁铁电流纹波的减小有利于系统静态稳定性能的提高。
附图说明
图1为不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器系统原理图。
具体实施方式
本发明提出了一种新型的悬浮电流控制电路，如图1所示。其中输入电压首先通过两个等值的电容进行分压，在电路中形成正电源电压，中点电压和负电源电压三种电位，以下简称为正电位、零电位和负电位。
其中上桥臂为开关管T1、开关管T2和反向二级管D2串联连接于电源的正负端，电容间的中点电位与开关管T1与开关管T2连接点通过正向二极管D3连接，开关管T2与反向二极管D2之间的连接点为输出电流的正端。这样在输出电流正端可以通过开关管的不同导通方式得到正电位、零电位和负电位。如果两个开关管T1和T2均导通，输出电流正端可以得到正电位；如果仅T2导通，那么通过二极管D3，输出电流正端可以得到零电位；如果D2导通，输出电流正端可以得到负电位。需要特别指出，对于电磁吸力悬浮控制系统来说来说，电磁铁电流单向流动，从悬浮电流控制电路的输出电流正端流向悬浮电流控制电路输出电流负端。
下桥臂为反向二级管D1、开关管T3和开关管T4串联连接于电源的正负端，其中电容间的中点电位与开关管T3与开关管T4连接点通过反向二极管D4连接，反向二极管D1与开关管T3之间的连接点为输出电流的负端。这样在输出电流负端可以通过开关管的不同导通方式得到正电位、零电位和负电位。如果两个开关管T3和T4均导通，输出电流负端可以得到负电位；如果仅T3导通，那么通过二极管D4，输出电流负端可以得到零电位；如果D1导通，输出电流负端可以得到正电位。
对图1中的电路，假设电容C1和C2容值等参数上完全一致，对输入的电压进行平均分压，则在输入电压为U的情况下，两电容两端的电压分别为U/2。通过控制开关管的开通和关断，一方面可以控制负载，悬浮电磁铁，上面的电压，从而控制电磁铁电流的增加和减少，另一方面可以控制电容C1和C2的充放电，从而能够调节C1和C2两端的电压值。
电路中开关器件一共有四个T1、T2、T3和T4，每个器件有开通和关断两种状态，假设开通为1，关断为0，对电路的16种不同的状态做详细的分析，可以得到表1。
表1电路的工作状态表
对表1的情况，按照负载电压、C1和C2的充放电状态进行统计可得表2。
表2电路工作状态统计
T1 T2 T3 T4 C1 C2 负载电压 状态数
状态1 X 0 0 X 充电 充电 -U 4
状态2 X 0 1 0 0 充电 -U/2 2
状态3 0 1 0 X 充电 0 -U/2 2
状态4 X 0 1 1 0 0 0 2
状态4 1 1 0 X 0 0 0 2
状态4 0 1 1 0 0 0 0 1
状态5 0 1 1 1 0 放电 U/2 1
状态6 1 1 1 0 放电 0 U/2 1
状态7 1 1 1 1 放电 放电 U 1
根据表2可以发现电路一共有7中工作状态。
(1)负载电压为-U，负载向C1和C2充电
(2)负载电压为-U/2，负载向C1充电，C2不变
(3)负载电压为-U/2，C1不变，负载向C2充电
(4)负载电压为0，C1和C2不变
(5)负载电压为U/2，C1向负载放电，C2不变
(6)负载电压为U/2，C1不变，C2向负载放电
(7)负载电压为U，C1和C2向负载放电
在电路的控制中，所有开关器件采用定开关频率控制，也就是开关管的开关控制周期固定，假设开关控制周期为T。脉冲生成器通过数字采样采集电磁体的电流实际值，将实际值与给定值进行比较或者通过一定的控制算法，比如PI D控制等，计算得到下一个控制周期提供给电磁体的平均电压值Uc，也就是下一个控制周期提供的电磁铁脉冲电压的平均值，那么下一控制周期需要提供给电磁铁的电压时间积为UcT。
在脉冲分配器中，根据电压平均值Uc(或者电压时间积UcT)和C1、C2的电压偏差值进行开关脉冲分配，使得既可以提供电磁铁需要的脉宽又可以使得C1和C2之间的电压偏差小于一定的范围。
在脉冲分配器中，首先根据平均电压值Uc与输入电源的大小，判断电路工作的状态区域范围。其次根据C1、C2的电压偏差值的范围确定电路工作在具体的某一状态或两种状态的组合，如果是两种状态的组合，那么对两种状态的工作时间进行分配，保证开关周期内的平均电压为Uc并且两种状态的工作时间和为开关周期。最后根据前序的开关状态，在开关管最少动作的情况下执行。
在对两种工作状态进行分配时，假设两种工作状态下的负载电压分别为U1和U2，工作时间分别为a和b，那么a和b应满足(1)a+b＝T；(2)aU1+bU2＝UcT，也就是a＝(Uc-U2)T/(U1-U2)；b＝(Uc-U1)T/(U2-U1)。
(1)如果Uc≤-U，那么电路工作在状态1方式下，按照开关管最少开通的原则，维持T1和T4开关管不变，T2和T3开关管关断；
(2)如果-U≤Uc<-U/2，并且C1和C2电压差值高于设定的电压阈值，C2需要充电，那么电路工作在状态1和状态2的混合方式下，状态1工作时间为(-U-2Uc)T/U，状态2工作时间为(2Uc+2U)T/U。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序：
①如果T3处于关断状态，那么关断T2，执行(-U-2Uc)T/U时间后，开通T3，关断T4执行(2Uc+2U)T/U，T1该控制周期内不动作。
②如果T3处于开通状态，关断T2和T4，执行(2Uc+2U)T/U时间后，关断T3执行(-U-2Uc)T/U时间，T1该控制周期内不动作。
(3)如果-U≤Uc<-U/2，并且C2和C1电压差值高于设定的电压阈值，C1需要充电，那么电路工作在状态1和状态3的混合方式下，状态1工作时间为(-U-2Uc)T/U，状态3工作时间为(2Uc+2U)T/U。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作状态：
①如果T2处于关断状态，那么关断T3，执行(-U-2Uc)T/U时间后，开通T2，关断T1，执行(2Uc+2U)T/U，T4该控制周期内不动作。
②如果T2处于开通状态，关断T1和T3，执行(2Uc+2U)T/U时间后，关断T2执行(-U-2Uc)T/U时间，T4该控制周期内不动作。
(4)如果-U≤Uc<-U/2，并且C1和C2电压差值在设定的电压阈值范围内，那么电路工作在状态1和状态4的混合方式下，状态1工作时间为-UcT/U，状态4工作时间为(Uc+U)T/U。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(5)如果-U/2≤Uc<0，并且C1和C2电压差值高于设定的电压阈值，C2需要充电，那么电路工作在状态2和状态4的混合方式下，状态2工作时间为-2UcT/U，状态4工作时间为(2Uc+U)T/U。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(6)如果-U/2≤Uc<0，并且C2和C1电压差值高于设定的电压阈值，C1需要充电，那么电路工作在状态3和状态4的混合方式下，状态3工作时间为-2UcT/U，状态4工作时间为(2Uc+U)T/U。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作状态。
(7)如果-U/2≤Uc<0，并且C1和C2电压差值在设定的电压阈值范围内，那么电路工作在状态1和状态4的混合方式下，状态1工作时间为-Uc/UT，状态4工作时间为(Uc+U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(8)如果0≤Uc<U/2，并且C1和C2电压差值高于设定的电压阈值，C1需要放电，那么电路工作在状态6和状态4的混合方式下，状态6工作时间为2Uc/UT，状态4工作时间为(-2Uc+U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(9)如果0≤Uc<U/2，并且C2和C1电压差值高于设定的电压阈值，C2需要放电，那么电路工作在状态5和状态4的混合方式下，状态5工作时间为2Uc/UT，状态4工作时间为(-2Uc+U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作状态。
(10)如果0≤Uc<U/2，并且C1和C2电压差值在设定的电压阈值范围内，那么电路工作在状态7和状态4的混合方式下，状态7工作时间为Uc/UT，状态4工作时间为(-Uc+U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(11)如果U/2≤Uc<U，并且C1和C2电压差值高于设定的电压阈值，C1需要放电，那么电路工作在状态6和状态7的混合方式下，状态6工作时间为(2U-2Uc)/UT，状态7工作时间为(2Uc-U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(12)如果U/2≤Uc<U，并且C2和C1电压差值高于设定的电压阈值，C2需要放电，那么电路工作在状态5和状态7的混合方式下，状态5工作时间为(2U-2Uc)/UT，状态7工作时间为(2Uc-U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作状态。
(13)如果U/2≤Uc<U，并且C1和C2电压差值在设定的电压阈值范围内，那么电路工作在状态7和状态4的混合方式下，状态1工作时间为Uc/UT，状态4工作时间为(-Uc+U)/UT。
根据前后状态按照开关管最少开通的原则选择开关器件的工作顺序。
(14)如果Uc≥U，那么电路工作在状态7方式下，选择T1 T2T3T4＝1111。
按照图1实施主电路，脉冲生成器和脉冲分配器采用DSP芯片通过软件实现，脉冲生成器通过比较给定电流值和电流反馈采样值，得出控制周期T内的平均控制电压Uc，脉冲分配器按照上文的控制规律控制输出每个开关管的控制信号。
表3控制脉冲分配表

Claims (1)

1.一种不对称桥臂的高压低纹波悬浮电流控制器，其特征在于，包括
依次串联的参数一致的电解电容C1和C2，C1的正端连接到电源的正极，C2的负端连接到电源的负极；
还包括开关管T1、开关管T2和反向二极管D2依次串联构成的上桥臂，上桥臂的两端分别连接到电源正、负极，C1和C2串联的中点与T1和T2的连接点通过正向二极管D3连接；T2与D2的连接点为电路输出的正端；
还包括反向二极管D1、开关管T3和开关管T4依次串联构成的下桥臂，下桥臂的两端分别连接到电源正、负极，C1和C2串联的中点与T3和T4的连接点通过反向二极管D4连接；D1与T3的连接点为电路输出的负端；
还包括脉冲生成器，脉冲生成器的第一输入端连接到电路输出的负端，第二输入端用于电流给定输入；
还包括脉冲分配器，脉冲分配器的第一输入端连接到脉冲生成器的输出端，第二输入端连接到电源正极，第三输入端连接到C1和C2串联的中点；脉冲分配器的输出端分别连接到T1、T2、T3和T4的控制端P1、P2、P3和P4。
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