CN111061327A - 驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法，通过实时采集电源端的工作电压和流经感性负载单元的工作电流计算出基础占空比及调节比例系数，利用所述基础占空比及所述调节比例系数计算出实际占空比，由于基础占空比会随着电源端的工作电压的变化快速更新，响应非常迅速，所以计算出的实际占空比始终在需要的占空比附近，可以很快的将感性负载单元的工作电流调节到需要的值，减少了调节的时间；并且，由于电源端的工作电压参与计算，能够抑制电压扰动，提升了系统抗电压扰动的鲁棒性。

Description

驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法

技术领域

本发明涉及功率驱动电路技术领域，特别涉及一种驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法。

背景技术

目前，电磁阀可以广泛使用在功率驱动技术领域中，由于电磁阀感抗较大，抗冲击性较好，一般通过PID算法进行闭环控制，即通过控制模块发出脉冲宽度调制信号(PWM信号)给电磁阀，再将流经电磁阀的工作电流采集回来比较是否达到目标电流，如果没有则继续调节，通过多次闭环调节，直到流经电磁阀的工作电流和目标电流在设定的误差范围内，得到稳定的驱动电流。现有的闭环控制方法调节时间长，调节缓慢，不适合于快速响应的应用场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁阀控制系统，以解决现有的电磁阀闭环控制方法调节时间长的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种驱动电路的闭环控制系统，包括控制模块、感性负载模块和开关模块，所述感性负载模块和所述开关模块串联后连接在一电源端和一接地端之间，其中：

所述感性负载模块包括感性负载单元及续流单元，所述感性负载单元与所述续流单元并联，所述控制模块实时获取所述电源端输出的工作电压以及流经所述感性负载单元的工作电流以计算基础占空比及调节比例系数，并利用所述基础占空比及所述调节比例系数计算实际占空比，以根据所述实际占空比输出一脉冲宽度调制信号至所述开关模块的控制端。

可选的，所述感性负载模块还包括负载电流采样单元，所述负载电流采样单元与所述感性负载单元串联，所述负载电流采样单元至少包括一个电阻，所述控制模块通过采集所述负载电流采样单元上的电压以计算流经所述感性负载单元的电流。

可选的，所述续流单元包括至少一个续流二级管，所述续流二级管的阳极连接所述开关模块的一端，阴极连接所述电源端。

可选的，所述驱动电路的闭环控制系统还包括电源电压采样单元，所述电源电压采样单元的一端连接所述电源端，另一端接地，所述电源电压采样单元至少包括两个串联的电阻，所述控制模块通过采集所述电源电压采样单元的电阻上的电压以计算所述电源端输出的工作电压。

可选的，所述开关模块包括一MOS管，所述MOS管的源极连接所述感性负载模块，漏极接地；或者，所述MOS管的源极连接所述电源端，漏极连接所述感性负载模块。

可选的，所述感性负载单元包括电磁阀。

可选的，所述控制模块根据所述感性负载单元的目标电流以及流经所述感性负载单元的工作电流的误差累计值通过PID算法计算所述调节比例系数。

可选的，所述基础占空比的计算方法为：

基础占空比＝(I_target*R+V_f)/(V_bat+V_f)

其中，I_target为所述感性负载单元的目标电流，V_f为所述续流单元的正向导通压降，R为所述感性负载单元的电阻值，V_bat为所述电源端输出的工作电压。

可选的，所述实际占空比的计算方法为：

实际占空比＝基础占空比*k

其中，k为所述调节比例系数，且0％≤k≤100％，当k＜0％时，取k＝0，当k＞100％时，取k＝100％。

本发明还提供了一种驱动电路的闭环控制系统的闭环控制方法，包括：

实时获取电源端输出的工作电压以及流经感性负载单元的工作电流并计算基础占空比及调节比例系数；

根据所述基础占空比及所述调节比例系数计算实际占空比；

根据所述实际占空比输出一脉冲宽度调制信号至开关模块的控制端。

可选的，根据所述感性负载单元的目标电流以及流经所述感性负载单元的工作电流的误差累计值通过PID算法计算所述调节比例系数。

可选的，所述基础占空比的计算方法为：

基础占空比＝(I_target*R+V_f)/(V_bat+V_f)

其中，I_target为所述感性负载单元的目标电流，V_f为所述续流单元的正向导通压降，R为所述感性负载单元的电阻值，V_bat为所述电源端输出的工作电压。

可选的，所述实际占空比的计算方法为：

实际占空比＝基础占空比*k

其中，k为所述调节比例系数，且0％≤k≤100％，当k＜0％时，取k＝0，当k＞100％时，取k＝100％。

在本发明提供的驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法中，通过实时采集电源端的工作电压和流经感性负载单元的工作电流以计算出基础占空比及调节比例系数，利用所述基础占空比及所述调节比例系数计算出实际占空比，由于基础占空比会随着电源端的工作电压的变化快速更新，响应非常迅速，所以计算出的实际占空比始终在需要的占空比附近，可以很快的将感性负载单元的工作电流调节到需要的值，减少了调节的时间；并且，由于电源端的工作电压参与计算，能够抑制电压扰动，提升了系统抗电压扰动的鲁棒性。

附图说明

图1是一种低边驱动电路的闭环控制系统的电路图；

图2是图1中的低边驱动电路的闭环控制系统的闭环控制方法的示意图；

图3是本发明实施例的驱动电路的闭环控制系统的电路图；

图4是本发明实施例的驱动电路的闭环控制系统的闭环控制方法的示意图；

图5为本发明实施例提供的驱动电路的闭环控制方法的流程图。

其中，附图标记为：

VCC1-电源端；VSS1-接地端；HSS1-高边供电开关；M1-MOS管；L1-电磁阀；R1-电流采样电阻；D1-续流二极管；A1-运算放大器；

11-控制模块；12-感性负载模块；

VCC2-电源端；VSS2-接地端；HSS2-高边供电开关；M2-MOS管；L2-电磁阀；R2-电流采样电阻；R3-第一电压采样电阻；R4-第二电压采样电阻；D2-续流二极管；A2-运算放大器；

21-控制模块；22-感性负载模块。

具体实施方式

一种低边驱动电路的闭环控制系统如图1所示，其包括电源端VCC1、接地端VSS1、控制模块11、感性负载模块12以及三极管M1，感性负载模块12的一端与电源端VCC1连接，另一端连接到MOS管M1的源极，MOS管M1的漏极与接地端VSS1连接，电源端VCC1和感性负载模块12之间还具有一高边供电开关HSS1，用于控制电源端VCC1和感性负载模块12之间的连接和断开。

感性负载模块12包括电磁阀L1、电流采样电阻R1和续流二极管D1，电磁阀L1与电流采样电阻R1串联后再与续流二极管D1并联。所述控制模块11例如是一单片机，其一个输入端口与运算放大器A1连接，所述运算放大器A1并联在电流采样电阻R1的两端，以采集电流采样电阻R1两端的电压；一个输出端口与MOS管M1的控制端连接，以向所述MOS管M1的控制端输出脉冲宽度调制信号(PWM信号)。

当对电磁阀L1的电流精度要求较高时，通常采用如图2所示的闭环控制方法：控制模块11对MOS管M1的控制端输出一定占空比(duty)的PWM信号，然后实时采集电流采样电阻R1两端的电压信号，通过运算放大器A1将采样获得的电压信号进一步放大，控制模块11中的传感器电阻模块(Sensor Resistor)根据此电压信号计算出流经电磁阀L1上的工作电流，并将计算出的电流值与设定的目标电流(target current)进行比较并计算偏差，通过PID算法(PID calculation)计算出新的占空比，控制模块11重新输出该占空比的PWM信号以驱动MOS管M1，通过多次闭环调节直至流经电磁阀L1上的工作电流与设定的目标电流的差值满足控制要求，从而得到稳定的驱动电磁阀L1的驱动电流。

以上描述的低边驱动电路的闭环控制系统没有把电源端VCC1输出的工作电压加入闭环控制的计算中，在电源端VCC1输出的工作电压相对稳定状态时，电流控制精度会做的很高，但仍有以下两个不足：

(1)闭环调节周期相对较长。在有新的目标电流时，系统不能马上计算出目标电流对应的PWM信号的占空比，PID控制时前几个周期输出的PWM信号的占空比可能与最终实际需要的占空比差别较大，为达到目标电流需要调节的次数和时间较多；

(2)抗电压扰动方面的表现不够好。如果因为某些原因导致电源端VCC1短时较大波动，或者电源端VCC1耦合叠加了纹波电压，那么就需要相对较长的时间被动调节达到稳定精确的目标电流，在持续纹波电压条件下甚至会出现长时间不能达到目标电流的情况。

基于此，本发明提供了一种驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法，通过实时采集电源端的工作电压和流经感性负载单元的工作电流以计算出基础占空比及调节比例系数，利用所述基础占空比及所述调节比例系数计算出实际占空比，由于基础占空比会随着电源端的工作电压的变化快速更新，响应非常迅速，所以计算出的实际占空比始终在需要的占空比附近，可以很快的将感性负载单元的工作电流调节到需要的值，减少了调节的时间；并且，由于电源端的工作电压参与计算，能够抑制电压扰动，提升了系统抗电压扰动的鲁棒性。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电磁阀控制系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图3所示，本实施例提供了一种驱动电路的闭环控制系统，包括控制模块21、感性负载模块22和开关模块，所述感性负载模块22和所述开关模块串联后连接在一电源端VCC2和一接地端VSS2之间。本实施例中，所述开关模块为MOS管M2，所述驱动电路的闭环控制系统为低边驱动电路的闭环控制系统，所述MOS管M2位于所述感性负载模块22和接地端VSS2之间，且源极和漏极分别连接所述感性负载模块22和接地端VSS2。在其他实施例中，所述驱动电路的闭环控制系统还可以是高边驱动电路的闭环控制系统，所述MOS管M2位于所述电源端VCC2及所述感性负载模块22之间，且源极和漏极分别连接所述电源端VCC2及所述感性负载模块22。

进一步，所述感性负载模块22包括并联的感性负载单元、负载电流采样单元及续流单元，所述感性负载单元与所述负载电流采样单元串联后再与所述续流单元并联。本实施中，所述感性负载单元包括电磁阀L2，所述负载电流采样单元包括一电流采样电阻R2，所述续流单元包括一续流二极管D2，所述电磁阀L2与所述电流采样电阻R2串联后再与所述续流二极管D2并联，所述续流二极管D2的阳极与所述MOS管M2的栅极连接，阴极连接所述电源端VCC2。应理解，本发明中的负载电流采样单元不限于仅包括一个电流采样电阻R2，还可以包括多个串联的电流采样电阻R2，所述续流单元不限于仅包括一续流二极管D2，还可以包括多个串联的续流二极管D2。

所述电流采样电阻R2的两端并联一运算放大器A2，所述运算放大器A2的输出端与所述控制模块21的一个输入端连接，所述电磁阀L2上的电流在所述电流采样电阻R2上形成采样电压，所述运算放大器A2对采样电压进行放大，所述控制模块21根据所述采样电压得到流经所述电磁阀L2的工作电流。所以，所述控制模块21通过实时采集所述电流采样电阻R2两端的工作电压即可实时获取流经所述电磁阀L2的工作电流。本发明中，获取所述流经所述电磁阀L2的工作电流的方式不限于采用所述负载电流采样单元，还可以是现有的其他方式。

进一步，为了采集所述电源端VCC2输出的工作电压，所述驱动电路的闭环控制系统还包括一电源电压采样单元。本实施例中，所述电源电压采样单元包括第一电压采样电阻R2和第二电压采样电阻R3，所述第一电压采样电阻R2和第二电压采样电阻R3串联后连接在所述电源端VCC2和接地端VSS2之间。所述控制模块21的一个输入端连接在所述第一电压采样电阻R2和第二电压采样电阻R3之间，所述电源端VCC2输出的工作电压经所述第一电压采样电阻R2和第二电压采样电阻R3以固定比例分压。由此，所述控制模块21可以通过采集的电压计算出所述电源端VCC2输出的工作电压。应理解，所述电源电压采样单元不限于仅包括两个电压采样电阻R2，还可以包括三个、四个、五个等，获取所述电源端VCC2输出的工作电压的方式也不限于采用本实施例中提供的电源电压采样单元，还可以采用现有的其他方式，在此不再一一举例说明。

可选的，所述电源端VCC2和所述感性负载模块22之间还设置有一高边供电开关HSS2，所述高边供电开关HSS2作为电路的总开关，可以控制所述电源端VCC2与所述感性负载模块22之间的通断。

基于此，如图4及5所示，本发明还提供了一种驱动电路的闭环控制方法，包括：

步骤S1：控制模块实时获取电源端输出的工作电压以及流经感性负载单元的工作电流并计算出基础占空比及调节比例系数；

步骤S2：控制模块根据所述基础占空比及所述调节比例系数计算出实际占空比；

步骤S3：控制模块根据所述实际占空比输出一脉冲宽度调制信号至开关模块的控制端。

具体的，如图3及图4所示，所述控制模块21中存储有所述电磁阀L2需要的目标电流(Target_current)，所述控制模块21首先根据目标电流及所述电源端VCC2输出的工作电压计算出基础占空比Basic_duty。根据电路原理，考虑电磁阀L2是感性负载，且在电磁阀L2关闭期间通过续流二极管D2续流，在不考虑其他压降的情况下，计算出基础占空比Basic_duty的公式如下：

Basic_duty＝(I_target*R+V_f)/(V_bat+V_f) (1)；

其中，I_target为所述电磁阀L2的目标电流，V_f为所述续流二极管D2的正向导通压降，R为所述电磁阀L2的电阻值，V_bat为所述电源端VCC2输出的工作电压。

由于基础占空比Basic_duty会随着目标电流和电源端VCC2输出的工作电压V_bat的变化快速更新，响应比直接采用PID调节要快很多，且基础占空比Basic_duty的大小会始终在实际需要的占空比附近。实际应用环境下，考虑上述计算公式中R，V_f，V_bat的误差，还需要对基础占空比Basic_duty进行修正，利用闭环控制，确保流经电磁阀L1的工作电流稳定在目标电流I_target。

基于此，所述控制模块21还根据所述电磁阀L2的目标电流以及流经所述电磁阀L2的工作电流的误差累计值通过PID算法计算出调节比例系数。本实施例中，所述电磁阀L2的工作电流的误差累计值是指前几个周期中，所述控制模块21获取的流经所述电磁阀L2的工作电流与所述目标电流的差值。

接下来，所述控制模块21根据计算出的基础占空比以及调节比例系数计算出实际占空比Duty_ctrl，计算公式如下：

Duty_ctrl＝Basic_duty*k (2)；

其中，k为所述调节比例系数，且0％≤k≤100％，当k＜0％时，取k＝0，当所述k＞100％时，取k＝100％。

计算出实际占空比之后，所述控制模块21根据所述实际占空比输出PWM信号至所述MOS管M2的控制端，从而控制所述MOS管M2的通断。应理解，电源端VCC2输出的工作电压稳定且电磁阀L2参数恒定时，控制MOS管M2的PWM信号的占空比越大，流经电磁阀L2上的工作电流越大，占空比越小，流经电磁阀L2上的工作电流越小。所以通过调整PWM信号的占空比可以使得流经电磁阀L2的上的工作电流稳定在目标电流附近。

相较于如图2所示的驱动电路的闭环控制方式来说，一方面，本实施例中一旦有新的目标电流时，先计算出跟随在需要的占空比附件的基础占空比后，电磁阀L2将会很快在新的目标电流处达到平衡，大大减少闭环调节周期；另一方面，由于所述电源端VCC2输出的工作电压实时参与计算，基础占空比始终跟随在实际需要的占空比附近，所以会快速抑制电压扰动，具体的，当所述电源端VCC2输出的工作电压增大，基础占空比减小，输出的实际占空比减小，从而抑制了由于电压突升引起的电流变大；所述电源端VCC2输出的工作电压减小，基础占空比增大，输出的实际占空比增大，从而抑制了由于电压突降引起的电流变小。

综上，本实施例提供了一种驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法，通过实时采集电源端的工作电压和流经感性负载单元的工作电流以计算出基础占空比及调节比例系数，利用所述基础占空比及所述调节比例系数计算出实际占空比，由于基础占空比会随着电源端的工作电压的变化快速更新，响应非常迅速，所以计算出的实际占空比始终在需要的占空比附近，可以很快的将感性负载单元的工作电流调节到需要的值，减少了调节的时间；并且，由于电源端的工作电压参与计算，能够抑制电压扰动，提升了系统抗电压扰动的鲁棒性。

上述实施例对驱动电路的闭环控制系统及闭环控制方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (13)

1.一种驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，包括控制模块、感性负载模块和开关模块，所述感性负载模块和所述开关模块串联后连接在一电源端和一接地端之间，其中：

所述感性负载模块包括感性负载单元及续流单元，所述感性负载单元与所述续流单元并联，所述控制模块实时获取所述电源端输出的工作电压以及流经所述感性负载单元的工作电流以计算基础占空比及调节比例系数，并利用所述基础占空比及所述调节比例系数计算实际占空比，以根据所述实际占空比输出一脉冲宽度调制信号至所述开关模块的控制端。

2.如权利要求1所述的驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述感性负载模块还包括负载电流采样单元，所述负载电流采样单元与所述感性负载单元串联，所述负载电流采样单元至少包括一个电阻，所述控制模块通过采集所述负载电流采样单元上的电压以计算流经所述感性负载单元的电流。

3.如权利要求1或2所述的驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述续流单元包括至少一个续流二级管，所述续流二级管的阳极连接所述开关模块的一端，阴极连接所述电源端。

4.如权利要求1所述的驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述驱动电路的闭环控制系统还包括电源电压采样单元，所述电源电压采样单元的一端连接所述电源端，另一端接地，所述电源电压采样单元至少包括两个串联的电阻，所述控制模块通过采集所述电源电压采样单元的电阻上的电压以计算所述电源端输出的工作电压。

5.如权利要求1所述的驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述开关模块包括一MOS管，所述MOS管的源极连接所述感性负载模块，漏极接地；或者，所述MOS管的源极连接所述电源端，漏极连接所述感性负载模块。

6.如权利要求1所述的驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述感性负载单元包括电磁阀。

7.如权利要求1所述的驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述控制模块根据所述感性负载单元的目标电流以及流经所述感性负载单元的工作电流的误差累计值通过PID算法计算所述调节比例系数。

8.如权利要求7所述驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述基础占空比的计算方法为：

基础占空比＝(I_target*R+V_f)/(V_bat+V_f)

其中，I_target为所述感性负载单元的目标电流，V_f为所述续流单元的正向导通压降，R为所述感性负载单元的电阻值，V_bat为所述电源端输出的工作电压。

9.如权利要求8所述驱动电路的闭环控制系统，其特征在于，所述实际占空比的计算方法为：

实际占空比＝基础占空比*k

其中，k为所述调节比例系数，且0％≤k≤100％，当k＜0％时，取k＝0，当k＞100％时，取k＝100％。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的驱动电路的闭环控制系统的闭环控制方法，其特征在于，包括：

实时获取电源端输出的工作电压以及流经感性负载单元的工作电流并计算基础占空比及调节比例系数；

根据所述基础占空比及所述调节比例系数计算实际占空比；

根据所述实际占空比输出一脉冲宽度调制信号至开关模块的控制端。

11.如权利要求10所述的驱动电路的闭环控制方法，其特征在于，根据所述感性负载单元的目标电流以及流经所述感性负载单元的工作电流的误差累计值通过PID算法计算所述调节比例系数。

12.如权利要求11所述驱动电路的闭环控制方法，其特征在于，所述基础占空比的计算方法为：

基础占空比＝(I_target*R+V_f)/(V_bat+V_f)

其中，I_target为所述感性负载单元的目标电流，V_f为所述续流单元的正向导通压降，R为所述感性负载单元的电阻值，V_bat为所述电源端输出的工作电压。

13.如权利要求12所述驱动电路的闭环控制方法，其特征在于，所述实际占空比的计算方法为：

实际占空比＝基础占空比*k

其中，k为所述调节比例系数，且0％≤k≤100％，当k＜0％时，取k＝0，当k＞100％时，取k＝100％。

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