CN111464011A - 基于pwm调容的可变负载的轨道交通用充电机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，包括主电路、控制单元、采样单元和可变电容组，所述可变电容组包括多个电容和多个与所述电容一一对应的开关，各所述电容与对应的开关串联后并联于所述主电路的输出端；所述采样单元，用于采集所述主电路输出的电压和电流信号，并发送至所述控制单元；所述控制单元，用于根据所述电压和电流信号以得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成相对应占空比的PMW驱动信号，控制可变电容组中各开关的通断占空比，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。本发明具有可以工作在不同负载等级下、并且输出稳定、输出纹波小、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源式充电器设备领域，具体涉及一种基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机及控制方法。
背景技术
随着全球能源和生态环境的日益恶化，轨道交通电气化的开发和应用已成为各国汽车工业积极探索的焦点，在全球受到越来越多关注的同时，包括充电装置、充电控制、充电方式等车载充电技术的研究也得到迅速发展。轨道交通车辆的充电机作为整个轨道交通车辆的重要组成部分,不仅负责为车载蓄电池进行充电,保证在紧急情况下,控制电路、应急照明等设备有不间断的能源供应,同时在地铁车辆的日常运行中,还需为整车的直流负载提供能源。由此可见,针对充电机的研究工作,对于提高地铁车辆的整体装备水平,乃至于城市轨道交通行业发展都有着十分明显而重要的意义。但是往往车载充电机在设计时，首先确定负载等级，之后再设计电容等无源元件，这就造成了轨道交通用车载充电机系统只能在特定的负载等级下使用，在半载工况下使用状况就会出现问题，更遑论轻载工况了。当需要轨道交通用车载充电机使用在不同工况下时，将会出现输出滤波电容不匹配的问题，如果不能及时调整输出滤波电容大小，就会出现输出电压纹波较大，难以稳压、充电效率下降、开关损耗大、损坏设备等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可以工作在不同负载等级下、并且输出稳定、输出纹波小、效率高的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机及控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，包括主电路，还包括控制单元、采样单元和可变电容组，所述可变电容组包括多个电容和多个与所述电容一一对应的开关，各所述电容与对应的开关串联后并联于所述主电路的输出端；
所述采样单元，用于采集所述主电路输出的电压和电流信号，并发送至所述控制单元；
所述控制单元，用于根据所述电压和电流信号以得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成相对应占空比的PMW驱动信号，控制可变电容组中各开关的通断占空比，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述可变电容组中还包括固定电容，所述固定电容并联于所述主电路的输出端。
所述可变电容组中的电容数量为2个，分别为电容C1和C2，电容C1与开关K1位于同一支路中，电容C2与开关K2位于同一支路中；其中开关K1和开关K2对应的PWM驱动信号互补以使开关K1和开关K2相互交替开通与关断。
所述开关均为耗尽型MOSFET。
所述可变电容组的容值调节范围为2500uF～10000uF。
所述主电路包括依次相连的逆变单元、变压器单元和整流单元。
所述逆变单元为全桥逆变电路，所述变压器单元为环形变压器，所述整流单元为全桥整流电路。
所述控制单元包括控制器和驱动单元，所述控制器与所述驱动单元的输入端相连，所述驱动单元的输出端与所述逆变单元和开关相连。
本发明还公开了一种基于如上所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机的控制方法，包括步骤：
1)所述采样单元采集所述主电路输出的电压和电流信号，并发送至所述控制单元；
2)所述控制单元根据所述电压和电流信号分析得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成对应占空比的PWM驱动信号，控制可变电容组中各开关的通断占空比，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤2)中，控制单元根据当前功率等级，输出相对应占空比的PMW驱动信号，其中各开关的PMW驱动信号之间互补。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机及控制方法，根据功率等级生成相对应占空比的PMW驱动信号，控制可变电容组中各开关的通断占空比，使得可变电容组的容值与当前功率等级相匹配，即可变电容组的容值可根据负载等级进行调节，并且输出电压稳定、输出纹波小且效率高；整体控制方法操作简便且易于实现。
本发明的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机及控制方法，可变电容组中各开关均为耗尽型MOSFET，在对应的电容不需要接入时，并不需要在耗尽型MOSFET的GS两端加电压即可保持MOSFET常开，从而可以有效降低总功耗。
附图说明
图1为本发明的充电机在实施例的方框结构图。
图2为本发明的方法在实施例的方法流程图。
图3为传统充电机在满载工况下的输出电压波形图。
图4为传统充电机在空载工况下的输出电压波形图。
图5为本发明充电机在满载工况下的输出电压波形图。
图6为本发明充电机在空载工况下的输出电压波形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，包括主电路、控制单元、采样单元和可变电容组，可变电容组包括多个电容和多个与电容一一对应的开关，各电容与对应的开关串联后并联于主电路的输出端；采样单元，用于采集主电路输出的电压和电流信号，并发送至控制单元；控制单元，用于根据电压和电流信号以得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成对应占空比的PWM驱动信号至可变电容组中各开关，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。本发明的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，根据功率等级生成相对应占空比的PWM驱动信号来控制可变电容组中各开关，从而使得可变电容组的容值与当前功率等级相匹配，即可变电容组的容值可根据负载等级进行调节，并且输出电压稳定、输出纹波小且效率高。
本实施例中，可变电容组中还包括固定电容，固定电容并联于主电路的输出端。如图1所示，其中电容数量为2个，分别为电容C1和C2，固定电容的数量为1个，为电容C3，其中电容C1、C2和C3的容值固定，通过上述数量固定电容与可变电容之间的配合，使得可变电容组的容值调节范围为2500uF～10000uF。上述增设的固定电容，能够保证电容调节的稳定性以及可靠性。具体地，开关Q1与电容C1位于同一支路，开关Q2与电容C2位于同一支路，通过生成PWM驱动信号控制开关K1、K2的通断来投入和去除电容C1和电容C2，开关K1和开关K2的动作是互补的，即K1开通时K2关断，K1关断时K2开通，控制K1、K2交替开通关断，从而控制输出滤波电容组的容值。当然，在其它实施例中，也可以根据实际情况选择不同数量的可变电容或/和固定电容，从而得到不同的容值调节范围。
本实施例中，可变电容组中各开关均为耗尽型MOSFET，在对应的电容不需要接入时，并不需要在耗尽型MOSFET的GS两端加电压即可保持MOSFET常开，从而可以有效降低总功耗。
本实施例中，主电路包括依次相连的逆变单元、变压器单元和整流单元。其中逆变单元为全桥逆变电路，变压器单元为环形变压器，整流单元为全桥整流电路；控制单元包括DSP数字控制器(如TMS320F280049C DSP芯片)和开关管驱动单元，DSP数字控制器与开关管驱动单元的输入端相连，开关管驱动单元的输出端与全桥逆变电路中的开关管以及可变电容组中的开关相连。
具体工作流程为：DSP数字控制器采用移相控制，通过开关管驱动单元(如MOSFET驱动电路)驱动DC/AC全桥逆变电路中所有的MOSFET开关管；DC/AC全桥逆变电路对输入的直流电信号进行逆变后，通过环形变压器转移到二次侧，之后将能量经过AC/DC全桥整流电路整流，通过可变电容组对电池充电，或者直接对负载供电；其中ADC采样单元将测量的输出电压信号与输出电流信号转化为数字量，经过控制单元中的信号调制单元(图中未示出)调制后，由DSP数字控制器计算出输出功率等级，若处于较大负载时，则由DSP数字控制器控制增大可变电容组的容值，反之，则降低可变电容组的容值。
本发明还公开了一种基于如上所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机的控制方法，包括步骤：
1)采样单元采集主电路输出的电压和电流信号，并发送至控制单元；
2)控制单元根据电压和电流信号分析得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成对应占空比的PWM驱动信号至可变电容组中各开关，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。
本实施例中，在步骤2)中，控制单元根据当前功率等级，输出相对应占空比的PWM驱动信号至可变电容组中各开关，从而控制各开关的通断占空比，从而实现与开关同一支路中的电容的接入与退出。如图1所示，通过生成PWM驱动信号控制开关K1、K2的通断来投入和去除电容C1和电容C2，开关K1和开关K2的动作是互补的，即K1开通时K2关断，K1关断时K2开通，控制K1、K2交替开通关断，从而控制输出滤波电容组的容值。
另外，在步骤1)之前，先对控制单元内的DSP芯片以及可变电容组中的开关进行初始化。
为了验证方案的有效性，使用SBAER仿真软件对不同情况下的几种工况进行了仿真实验。图3到图6为各个工况的波形图。
图3为传统固定负载固定输出滤波电容情况下大功率满载工况的输出电压波形图。图4为传统固定负载固定输出滤波电容情况下空载工况的输出电压波形图。图5为本实施例通过PWM调节滤波电容之后满载工况下的输出电压波形图。图6为本实施例通过PWM调节滤波电容之后空载工况下的输出电压波形图。从图3和图4的波形对比中可以看出，空载工况的纹波远远大于满载工况的纹波，这对控制精度、输出效率都造成了巨大的影响。从图3到图6中可以看出，在相同条件的情况下，通过PWM连续调节滤波电容值从而改变输出滤波电容组的容值，可以有效的降低输出电压纹波，提升控制的稳定性。本发明通过PWM连续调节滤波电容值从而改变输出滤波电容组的容值，允许充电机工作在不同的负载等级下，同时保持较低纹波、较高的输出效率以及控制精度。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，包括主电路，其特征在于，还包括控制单元、采样单元和可变电容组，所述可变电容组包括多个电容和多个与所述电容一一对应的开关，各所述电容与对应的开关串联后并联于所述主电路的输出端；
所述采样单元，用于采集所述主电路输出的电压和电流信号，并发送至所述控制单元；
所述控制单元，用于根据所述电压和电流信号以得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成相对应占空比的PMW驱动信号，控制可变电容组中各开关的通断占空比，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。
2.根据权利要求1所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述可变电容组中还包括固定电容，所述固定电容并联于所述主电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述可变电容组中的电容数量为2个，分别为电容C1和C2，电容C1与开关K1位于同一支路中，电容C2与开关K2位于同一支路中；其中开关K1和开关K2对应的PWM驱动信号互补以使开关K1和开关K2相互交替开通与关断。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述开关均为耗尽型MOSFET。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述可变电容组的容值调节范围为2500uF～10000uF。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述主电路包括依次相连的逆变单元、变压器单元和整流单元。
7.根据权利要求6所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述逆变单元为全桥逆变电路，所述变压器单元为环形变压器，所述整流单元为全桥整流电路。
8.根据权利要求6所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机，其特征在于，所述控制单元包括控制器和驱动单元，所述控制器与所述驱动单元的输入端相连，所述驱动单元的输出端与所述逆变单元和开关相连。
9.一种基于权利要求1～8中任意一项所述的基于PWM调容的可变负载的轨道交通用充电机的控制方法，其特征在于，包括步骤：
1)所述采样单元采集所述主电路输出的电压和电流信号，并发送至所述控制单元；
2)所述控制单元根据所述电压和电流信号分析得到当前功率等级，并根据当前功率等级生成对应占空比的PWM驱动信号，控制可变电容组中各开关的通断占空比，以使可变电容组的容值与当前功率等级相匹配。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤2)中，控制单元根据当前功率等级，输出相对应占空比的PMW驱动信号，其中各开关的PMW驱动信号之间互补。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Kan Inventor after: Zhou Shichao Inventor after: Gao Li Inventor after: Luan Haozhe Inventor after: Ding Rongjun Inventor after: Yu Kang Inventor after: Li Yun Inventor after: Chen Zhichu Inventor after: Ni Dacheng Inventor after: Huang Qing Inventor after: Xiao Jie Inventor before: Liu Kan Inventor before: Luan Haozhe Inventor before: Ding Rongjun Inventor before: Xiao Jie Inventor before: Zhou Shichao Inventor before: Gao Li |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200728 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |