CN1109607A - 计算正弦电压波形峰值或有效值的电路 - Google Patents

Abstract

计算电路计算线路电压Vac的Vrms²或Vpeak²值，用可控谐波振荡器提供快速响应时间和无纹波的信号。两个相差π/2的正弦波信号从输入正弦波信号得出，平方后相加，以快速响应时间得出正弦波形信号的平方。该电路含两个积分器。第二积分器的输出反馈到第一积分器的输入。两积分器输出的电压正弦波相位差)π/2并与输入的正弦波电压Vac同步，并由相关平方电路平方。两个平方电路的输出相加产生Vpeak²或Vrms²值。

Description

计算正弦电压波形峰值或有效值的电路

本发明涉及信号计算电路，特别是一种包含在电源电路中的应用于功率因素增强电路的信号传感及计算电路，电源电路工作于提供正弦或近似正弦电压波形的交流线路中。

直接脱开交流线路工作的电源一般包括一输入整流器，它转换输入的交流线电压为直流电压。该直流电压一般加给电储存电容器，该电容连接到DC/DC转换器的输入端，该转换器在其输入端转换此直流电压为另一电平的直流电压。整流器和储存电容器的固有工作特性改变了整流器输入端上的输入电流波形。该波形的畸变产生谐波被反馈到交流线路上，进而引起严重的电磁干扰IEMI)发射，以及在交流配电网中不必要的电力损失。

其它应用中，电源可以直接脱开交流线路工作，来驱动一个变频器以提供与交流线路不同频率的信号。输入波形可能畸变引起上述问题。

输入电流波形的畸变可利用有源功率因数控制器和变换器得到控制，变换器如升压变换器设置在整流器和存储电容器之间，以便有效地控制输入电流波形。有源转换装置受监控输入电压波形的控制电路的控制。控制装置在比交流线路频率高的高频上调制传导周期，以便迫使输入电流的波形与输入电压的波形一致，或与输入电压波形的基频正弦波形一致。

有源功率因数控制网络一般感受电源电路的输入和输出信号参数，并利用响应这些信号参数的有选择性地通断电源开关或调制的脉冲宽度，来迫使输入电源与要求的电流波形一致。在美国专利4,412,277中公开的一个具体装置中，被整流的输入电压波形与表示输出电压与标准电压偏差的误差电压相乘。产生的控制信号被适当换算用于控制驱动电源开关的调制脉冲，以提供要求的输入电流波形。在美国专利4,677,366中公开的更复杂的功率因数控制器中，增加前馈控制器为了改变输入交流有效值的快速变化。这通常被用于由输入电压有效值的平方逆换算设定的输入电流。

现有方案中的缺陷是存在可感受的电波形中的纹波影响，它在控制电路操作中具有不希望有的影响，结果导致设定输入电流波形的不精确测定。目前处理纹波电流的技术是延长功率因数补偿电路的响应时间，结果引起输入电压中大量瞬变信号，除非使用大的输出电荷储存电容器。

在产生校正电流波形方面控制器的成功取决于导出或计算出输入电压Vrms²值或等效Vpeak²值使用的速度和精度，因为在控制升压变换器的有源电源开关中使用该控制器。该参考一般通过全波整流输入的交流正弦波，滤波已整流正弦波再自乘已滤波信号而得到。此项技术具有电路和其固有操作简单的优点的同时，具有这样的缺陷，要求设计要在所得到的平方电压中的纹波和电路能够响应输入电压动态变化所具有的速度之间，作出折衷的选择。

一种用于计算或导出线电压Vac的Vrms²和Vpeark²值的计算电路，由于利用了其输出跟踪输入电压波形基波的受控谐波振荡器，该电路提供了这些信号的快速响应时间和完全无纹波数值。两个异相(相位相差π/2)正弦波信号从输入正弦波中得出，这两个异相信号被平方再相加，以快速响应时间导出或计算要求的正弦波形峰值平方。

根据本发明实施例的计算电路包括两个积分器，具有增益，被串联连接成全闭合回路。第二积分器的输出与检测的交流(AC)线路正弦波电压Vac相加然后反馈到至少两个积分器之一的输入端。每单个积分器的输出都是一个电压正弦波，它与另一积分器的输出在相位上相差π/2，与输入实质上为正弦波的电压Vac同步。积分器的每个输出都被一个相关的平方律电路平方。两个平方律电路之一的每一个输入与另一平方律电路的输出相加，产生要求的Vpeak²或Vrms²的数值。

对于在特定领域工作设计的整流器，交流线路频率是精确已知的，通常为50Hz或60Hz，上述计算电路同时也是在先技术。然而对于为工作于无电路调节的不确定线路频率的应用场合而设计的计算电路，根据本发明一个合适的反馈回路可以加到计算电路，以适应不同或变化的线路频率。

根据本发明，该计算电路包含在功率因数调节系统的控制装置中，并被用来产生控制输入参数(Vpeak²和信号频率)的实质上无纹波的计算，由于利用实质上无纹波信号控制一个升压、反向、SEPIC或其他相关型的变换器，使得在输入端到直接脱开交流线路驱动的整流电路提高了功率因数。另外，积分器的输出与输入交流电压同相位，它也能被用作控制输入信号，精确表示理想交流输入电压波形特征，控制功率因数调节器减少输入谐波以便减少经整流器的输入交流线电压的失真。

峰值平方计算电路的功能等效变化可以由采取上述线性变换来处理设计。例如，电路变换可被容易地设计，其中积分器增益不相同，或导出的正弦信号相位不相差π/2。为了产生交流输入电压峰值平方的无纹波计算，现在就要求一个更广义的二次项运算，其中信号的乘积像不同增益信号的平方一样也被利用。这些派生电路对于上述的基本电路仍然是功能等效的。

另外，上述处理的实现可以由数字计算机，或是数字计算机和模拟电路共用的混合方式来实施。

图中：

图1为计算电路的功能原理图，用于确定所加交流电压的峰值平方值和精确表示理想正弦交流入电压信号的幅度；

图2为计算电路功能原理图，用于确定除图1电路得出的信号之外，确定所加交流电压基频正弦波的频率；

图3为说明计算电路实例的原理图，其结构适用于脱开交流线路驱动的功率因数控制整流电路；

图4为说明脱开交流线路驱动的整流器实例的原理图，在功率因数控制电路中使用这样的计算电路；

图5为积分器原理图，该积分器能用于图1电路中，适应两种输入线路频率；

图6为能够使用于图1积分器的电路自动响应不同频率输入的电路原理图；以及

图7为与图6电路结合的计算电路的原理图，允许该计算电路自动地选择积分器增益用于不同的频率输入。

图1的计算电路包括串接并处在一个实质上闭合的反馈回路103中的第一和第二积分器101和102，以构成—可控谐波振荡器。用在这里的所谓“可控谐波振荡器”术语是指产生可调振幅和相位的正弦波振荡信号的振荡器。一实质上为正弦波交流电压波形加到输入端105。

两个积分器101和102可由连接成积分器，并各自具有增益ω的运算放大器构成。ω值由输入正弦交流电压波形基波的角频率确定。这些积分器101和102每一个对加到其输入端的正弦波形的伏—秒值进行积分。能对输入电压波形的伏—秒值进行积分的等效电路(即，数字，混合电路等)也可以使用。

这些积分器以级联方式连接，因此积分器102的输入是积分器101的正弦输入的积分并且，因此与加到输入端105的输入正弦电压波形同相位。积分器102的输出与加到输入端105的交流正弦电压相加。

第二积分器102的输出信号以相反符号加到第一积分器101的输入，形成可控谐波振荡器的闭合反馈回路。

引线105上的输入正弦信号和积分器102的输出在加法电路107中相加，相加的和送到两个增益电路111和113。包括这些增益电路为的是允许积分器102的输出以快的时间响应追踪输入交流电压基波的振幅和频率。通过控制计算器(即观测器)的电极的配置，选择增益电路111和113的增益(“a”和“b”)，来控制可调谐波振荡器(例如：包括在反馈回路103内的串联连接的积分器101和102)的时间响应。用于说明实施例的适合数值可为a＝1，b＝0这些数值只为举例说明，在具体应用中不是最佳的。

求和电路107的输出随同增益电路111的增益b(设“b”为零以外的有限数值)加到求和电路109，在此与积分器1102为输出相加，相加的和接到积分器101的输入端。如果“b”等于零就是开环连接，没有增益施加到积分器102。增益“b”不能设置为零以便调节可控谐波振荷瞬态响应的形式。增益数值“a”和“b”的适当选择对于本领域的技术人员是显而易见的，在此不中详述。积分器101的输出接到求和电路110，求和电路将积分器101的输出与由增益电路113的增益放大的积分器102的输出相加。求和电路的输出接到积分器102的输入端。

出现在结点125和126的所要求的结果信号是两个基波频率、相位彼此相差π/2的正弦信号。结点125和126上的这两个正弦信号接到平方律电路115和117，该平方很电路提供两个以代数平方值形式的正弦信号幅值。

平方律电路115和117的输出的接到求和电路119，在输出引线121上产生一个表示加到端点105的输入正弦电压波形的峰值平方的纯代数信号幅值，输出端121上的这个输出幅值表示输入电压Vac的基波的Vpeak²值，无任何施加的有效的纹波。由计算电路得出的这个幅值归因于三角关系，对于任意θ值：

Cos²(θ)+Sin²(θ)＝1θ在功能上被包括在电路中。

该电路在图2中被加以扩展，以得到施加于输入引线105的输入信号Vac的基波频率。在此方案中，两个平方律电路115和117的输出，经由引线240和241加到积分器225。这些输出在积分器225中结合，积分器225被设计为具有可选择的增益“d”，以提供长的一般为1秒或更长的响应时间。这个积分连同积分器101和102增益调节求出输入Vac的基波频率ω的数值，并将该数值于加到输出引线226上。该数值ω经由引线222反馈到积分器201和202。

增益电路211和213的可选增益“a”和“b”的数值在实施例中被选择，以调节可控谐波振荡器的瞬变响应时间的瞬变参考。

如所示输出引线227供直接从积分器202的输出端得出基频正弦波形(εSin(ωt))的数值。该基频数值在一些用于功率因数提高的控制方式中是有用的。

图1的采用常规模拟电路元件的峰值计算电路实施例表示在图3中。图3中的电路包括两个运算放大器301a和302a，每个都有适当的反馈电路使它们按积分器301和302工作，并且进一步由反馈回路303相互连接成闭合回路，构成可控谐波振荡器。

正弦线路电压加到输入端305和335，并经运算放大器306及电阻网络307耦合到积分器302，电阻网络工作使该电压与积分器301的输出相加，经为求和电路307的一部分的电阻器307a，接到积分器302的运算放大器302a。这些电阻器与运算放大器302a的反馈电路302c相结合执行要求的求和及积分功能。

该电路包括两个可市购的乘法器芯片315和317(如M1495)，它们外部连接来对提供的信号本身作乘法运算，也就是对信号作平方运算。连接的详细说明由乘法器芯片数据来决定，这里不详述。乘法器芯片315响应经引线335供给它的积分器301的输出。乘法器芯片317经由积分器302的引线337接收其来自积分器302的输入。乘法器芯片315和317的输出经引线345和347耦合到求和电路318(例如—运算放大器连接成对两个输入端求和，该和电路提供要求的正弦输入电压的基波的峰值平方值于其输出端321上。

图1所示计算电路的应用以示意图形式表示在图4中，它表示了一个典型的功率因数增强统。该功率因数增强系统包括一个整流器403，一个升压变换器405和一个控制电路417，控制电路响应来自如图1或图2所示运算器的输入。输入交流电压接到输入端401和402，由整流器403执行全波整流。整流后的信号施加到升压变化器，该升压变换器包括一个电感器406，一个可控电源开关407，一个整流二极管408和一个电荷储存电容器409。电源开关在控制电路417的控制下作用，以便脉宽调制受到整流的正弦波，使输入电流波形被迫追踪供给输入端401和402的输入交流电压的基波正弦波。正弦波电流施加于储存电容器409和输出端431和432。

输入交流电压经传感引线411和412由计算器414传感。计算器414在引线421上得出平方峰值电压，并以上述方式在引线422得出最佳基频正弦波信号。升压变换器405的输出电压也经引线418施加到控制电路。这三个输入信号能使控制电路脉宽调制升压变换器405的电源开关，以产生要求的电流波形。

上述计算器被设计为在特定输入交流信号频率上工作。然而期待用一个信号电路单元提供在不同频率上运行计算器。

对于能用于50Hz或60Hz的整流器，图2中积分器201和202的增益仅需要分别选择设定在2π50或2π60的增益。图5中表示了一种具有步进调整增益提供2π50和2π60增益的典型积分器。连接到积分器510的两个串联连接的输入电阻522和523被设置来提供特定工作频率增益。该增益可作为图5中积分器电路510的可选择增益，利用开关521短路电阻器522来实现。开关521对50Hz运行是断开的，而对60Hz运行是闭合的。

在图6所示实施例中，开关521由两个串接但极性相反的场效应管601和602构成。图6表示一种典型的控制器，以取代图2所示的积分器225。它响应图1中平方电路115和117输出131和132工作，以控制场效益管601和602的栅极。运算放大器605提供要求的增益R_2a/R_1a＝R_2b/R_1b，以在引线620上提供输出电压，它表示图1计算电路的相对于EmSin(ωt)的输入频率频率误差。运算放大器605的典型增益应是每赫兹负一伏。如果开关601和602对50Hz运行是断开的以及如果一个60Hz输入电波形加到该计算器，那么-10V输出产生在运算放大器605的引线602上。图6中电容器622和623可以被选择来提供一秒或更长的响应时间，利用这样一种事实，即输入频率难得发生突然改变。

图6电路的工作如以下描述。如果图1的计算器工作在50Hz，那么引线621的电压约-15伏，引线620上的电压接近零。引线622的电压可-5伏，它由分压电阻640和641的比值来决定。开关601和602都断开(即场效应管截止)。

如果输入交流频率变到60Hz，那么来自平方器117的(即引线132)电压小于来自115(即引线131)的电压，并且引线620上的电压降到-10伏。该电压表示+10Hz频率误差。比较器607转换其引线621上的输出电压到+15伏，从而闭合601和602(即场效应管导通)，在引线620上的电压恢复到接近零。在引线622上的电压为+5伏，维持比较器607在引线621上的输出电压在+15伏。

借助于用增加数字一模拟变换器或全模拟乘法器如基于Gilbert乘法单元的乘法器来调整积分器201和202的增益，更精巧的控制积分器201和202增益并适应输入频率连续变化的电路能连同图2电路一起应用。微处理器控制器也可用来提供有效方法实现连续变化输入频率的控制器。

能够完全工作在50Hz和60Hz环境下的计算器实例表示在图7中。该计算电路基本上图1电路，它已据图6电路加以改进。根据描述图1和图6的上述讨论其工作过程是显然的。它包括输出端721，提供峰值平方电压和输出端727，提供基频频率的正弦波形电压。

Claims (7)

1.一种用于从实质为正弦波形信号得到信号平方值的计算电路，

其特征是：

第一和第二积分器(101，102)彼此串联连接，在一实质为闭合的回路中第一积分器的输出耦合到第二积分器的输入，第二积分器的输出耦合到第一积分器的输入；

一求和电路(107)，包括用于接收实质正弦波形信号的输入端和接收第二积分器输出的第二输入端；

用于将第一求和电路的输出耦合到连接到第二积分器的闭合反馈回路中的装置；

连接的第一和第二信号电平平方电路(115，117)，分别平方第一和第二积分器的信号输出；以及

第二求和电路(119)，它用于合并第一和第二信号电平平方电路的输出信号，以及一输出端(121)，用于提供输入实质为正弦波形信号的平方值。

2.如权利要求1的一种为从实质为正弦波形得到信号平方值的计算电路，进一步包括：

用于插入增益的第一装置(111，109)，在该装置中用于将第一求和电路的输也耦合到为第一和第二积分器所共有的闭合回路中，其输出端接第一积分器输入端；

用于插入增益的第二装置(113、110)，在该装置中用于将第二求和电路的输出耦合到为第一和第二积分器所共有的闭合回路中，其输出端接第二积分器输入端。

3.如权利要求2的一种为从实质为正弦波形得到信号平方值的计算电路，进一步包括：

插入增益的第一和第二装置，包括增益源(111，113)和求和电路(109，110)，连接在反馈回路中。

4.一种计算实质为正弦波形信号平方峰值的方法；

其特征步骤：

积分正弦波形信号，产生第一积分值；

积分第一积分值，产生第二积分值；

平方第一积分值，产生第一平方值；

平方第二积分值，产生第二平方值；

相加第一平方值和第二平方值，产生一个代表实质为正弦波形信号的一个非周期性的幅值。

5.如权利要求4的一种计算实质为正弦波形信号平方峰值的方法，进一步包括步骤：

在其第一积分步骤之前用可控的增益放大实质为正弦的波形信号。

6.如权利要求5的一种计算实质为正弦波形信号平方峰值的方法，进一步包括步骤：

合并和积分第一和第二平方值，产生一个表示实质为正弦波形信号基波频率的数值。

7.如权利要求6的一种计算实质为正弦波形信号平方峰值的方法，进一步包括；

放大步骤包括选择插入的增益，用选择的一个数值插入，以便控制有源功率因数增强电路的所要求的的电路导纳，该计算电路与功率因数增强电路协同工作。

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