CN113162406A - 一种磁悬浮列车用智能斩波电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮列车用智能斩波电路，包括控制模块、驱动模块、斩波模块、采集模块，控制模块、驱动模块、斩波模块依次连接，采集模块分别与控制模块、斩波模块连接，控制模块用于接收目标电流指令信号，根据采集模块采集到的主电电压信号、输出电流反馈信号，输出PWM控制信号给驱动模块，驱动斩波模块工作，使负载电流等于目标电流。本申请根据目标电流指令信号，检测主电电压与实际输出电流，将实际输出电流与目标电流进行比较，结合主电电压、负载情况，控制实际输出电流等于目标电流，实现对输出电流的精确控制。

Description

一种磁悬浮列车用智能斩波电路
技术领域
本发明涉及斩波技术领域，尤其是涉及一种磁悬浮列车用智能斩波电路。
背景技术
目前，现有斩波器，也称为半H桥斩波器，包括两个相同的功率管及两个二极管，以桥式结果连接，一个功率管Q1和一个二极管D1串联组合后位于一个桥臂，另一个二极管D2与另一个功率管Q2串联组合后位于另一个桥臂，二个串联组合并联后分别接在主电Ud的两端，在二个桥臂的串联连接点处引出输出端，用于连接负载，一般情况下负载为感性负载。二个功率管共用同一个PWM信号，当PWM信号有效时，功率管导通，主电接到负载两端，使其电流上升；当PWM无效时，功率管Q1、Q2关断，感性负载通过二极管D2和D3续流，此时主电反接到负载两端，使得其电流下降。通过改变控制信号PWM的有效时长和无效时长，即占空比，能够实现对负载电流的控制。
现有的斩波器结构，在接入负载后，在实际工况下主电Ud容易波动，这会影响斩波器的输入输出特性，即对于相同的输入控制信号PWM，输出的负载电流并不是确定的。在控制系统中，当斩波器出现这种输入输出特性的变化时，会给系统的控制性能带来不利影响，无法达到控制参数具有较好的鲁棒性的要求。在一些要求比较高的应用场景，如磁悬浮列车系统中，这种输入输出特性的变化，会导致列车的悬浮性能降低，影响乘坐舒适度，严重时可能引起悬浮系统失稳，给列车带来安全隐患。
因此，设计一种能够精确控制输出电流的斩波电路，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能斩波电路，接收目标电流指令信号，检测主电电压与实际输出电流，将实际输出电流与目标电流进行比较，结合主电电压、负载情况，控制实际输出电流等于目标电流，实现对输出电流的精确控制。
本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种智能斩波电路，包括控制模块、驱动模块、斩波模块、采集模块，控制模块、驱动模块、斩波模块依次连接，采集模块分别与控制模块、斩波模块连接，控制模块用于接收目标电流指令信号，根据采集模块采集到的主电电压信号、输出电流反馈信号，输出PWM控制信号给驱动模块，驱动斩波模块工作，使负载电流等于目标电流。
本发明进一步设置为：采集模块采集斩波模块主电电压信号、负载电流信号，对采集到的信号进行滤波与幅值变换后，传输给控制模块。
本发明进一步设置为：控制模块包括依次连接的前置电路、处理器电路、隔离电路，处理器电路与采集模块连接，隔离电路与驱动模块连接；前置电路用于接收目标电流指令信号，处理器电路用于根据目标电流指令信号，结合采集信号，输出PWM信号。
本发明进一步设置为：控制模块还包括驱动检测接收电路，与驱动模块连接，用于接收驱动模块的驱动检测信号，并根据驱动检测信号控制驱动模块工作状态。
本发明进一步设置为：采集模块包括依次连接的采样电路与幅值转换电路，幅值转换电路与斩波模块连接，采样电路与控制模块连接，采样电路用于采集主电电压信号、输出电流信号，幅值转换电路用于对采样到的电压信号、电流信号进行滤波与幅值转换。
本发明进一步设置为：幅值转换电路包括依次连接的跟随电路、放大电路，跟随电路用于实现采集信号跟随，放大电路用于对采集信号进行放大。
本发明进一步设置为：斩波模块包括依次连接的半桥H斩波器电路、斩波检测电路，半桥H斩波器电路连接驱动模块，用于根据驱动模块的驱动信号，施加电压到负载上；斩波检测电路连接驱动模块，用于将半桥H斩波器电路的检测结果传输给驱动模块。
本发明进一步设置为：驱动模块包括驱动电路、驱动检测电路，驱动检测电路用于检测驱动电路的状态，将检测结果传输给控制模块。
本发明进一步设置为：驱动模块还包括斩波检测信号接收电路，根据斩波检测信号，控制斩波模块的工作状态。
本发明进一步设置为：控制模块中的处理器电路，包括处理器芯片。
与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：
1.本申请通过设置控制模块，比较实际输出电流与目标电流，再结合主电电压，生成PWM信号，控制斩波电路的输出电流等于目标电流，保证了斩波电路输出电流的精度；
2.进一步地，本申请设置采集模块，采集斩波电路的输出电流、斩波器的主电电压，并传输给控制模块，控制模块根据主电电压实时调节控制参数，使输出电流大小与主电电压大小无关，保证了输出电流的平稳。
附图说明
图1是现有技术的半H桥电路原理示意图；
图2是本申请的一个具体实施例的智能斩波电路结构示意图；
图3是本申请的一个具体实施例的控制模块结构示意图；
图4是本申请的一个具体实施例的幅值转换电路结构示意图；
图5是本申请的一个具体实施例的隔离电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例一
本申请的一种智能斩波电路，如图2所示，包括控制模块、驱动模块、斩波器模块、采集模块，控制模块与驱动模块、采集模块连接，斩波器模块同时与驱动模块、采集模块连接，形成闭环。
控制模块接收目标电流指令信号，结合采集模块采集到的斩波器主电电压信号、实际输出电流信号，生成PWM信号给驱动模块，驱动模块根据PWM信号，驱动斩波器模块工作；斩波器模块工作时，其主电电压施加到负载模块上，经过负载模块的转换，转换成实际输出电流。
采集模块用于采集负载模块的实际输出电流、斩波器模块主电电压，并传输给控制模块。
控制模块将目标电流信号与实际输出电流进行比较，再结合主电电压信号，调整PWM信号的占空比，使实际输出电流等于目标电流，达到对输出电流的控制。
控制模块模型根据目标电流与实际输出电流，进行微分与积分运算，其运算因子为：kp+kI/s，其中，kp表示比例反馈系数，kI表示积分反馈系数，1/s表示积分算子。
负载模型为感性负载，其阻抗为：1/(Ls+R)，其中，L表示感性负载的电感量，R表示感性负载的电阻值。
斩波单元模型为一个闭环系统，其传递函数为：
Figure BDA0002928827060000051
式中，Ud表示主电电压，s2表示二阶微分。
在闭环系统阻尼比为ξ、带宽为ωn时，控制参数表示如下：
Figure BDA0002928827060000052
Figure BDA0002928827060000053
由此可见，当主电压Ud下降后，控制参数kp和kI增大，以维持该斩波器对电流跟踪的性能指标保持不变。
斩波器模块包括半H桥斩波器，用于根据PWM信号，将主电电压施加到负载模块上。
驱动模块包括隔离电路，用于隔离控制模块与斩波器模块电路，并对PWM信号进行功率放大。
在本申请的一个具体实施例中，驱动模块还包括驱动状态检测电路，用于检测驱动模块中功率管的状态，并将驱动状态检测信号传输给控制模块。
控制模块中包括驱动信号接收电路，用于接收驱动状态检测信号，并根据驱动状态检测信号，判断驱动模块是否正常，控制驱动模块是否工作，在驱动模块出现故障时，控制PWM信号置0，关断驱动模块工作。
在本申请的一个具体实施例中，斩波器模块中包括斩波器状态检测电路，用于检测斩波器模块中功率管的状态，并将斩波器状态信号传输给驱动模块。
驱动模块还包括斩波器状态信号接收电路，用于接收斩波器状态信号，并根据斩波器状态信号，判断斩波器是否正常，控制斩波器模块的工作，在斩波器故障时进行关断。
具体实施例二
本申请的一种智能斩波电路中的控制模块，如图3所示，包括前置电路、处理器电路、隔离电路、驱动检测接收电路，其中，前置电路、处理器电路、隔离电路依次连接，驱动检测接收电路连接处理器电路，处理器电路与采集模块连接，用于接收采集模块采集到的主电电压信号、输出电流信号。隔离电路与驱动模块连接，用于隔离控制模块的电源与驱动模块的电源。前置电路设置在处理器电路的前端，用于接收目标电流指令信号，与上位机进行通信。
驱动检测接收电路与驱动模块连接、处理器电路连接，用于接收驱动模块的驱动检测信号，并根据驱动检测信号，判断驱动模块是否工作正常，当驱动模块中的功率管无法正常工作时，控制驱动模块停止工作。
处理器电路包括处理器芯片，如CPLD，用于根据目标电流指令信号，结合采集到的主电电压、实际输出电流信号，生成并输出PWM信号。
采集模块包括依次连接的采样电路与幅值转换电路，幅值转换电路与斩波模块连接，采样电路与控制模块连接，采样电路用于采集主电电压信号、输出电流信号，幅值转换电路用于对采样到的电压信号、电流信号进行滤波与幅值转换。
采样电路包括快速、高精度的采集芯片，如AD7864。
幅值转换电路采用模拟电路，将采样到的电压信号、电流信号进行滤波与幅值转换后，传输给采样电路。
斩波模块包括依次连接的半桥H斩波器电路、斩波检测电路，半桥H斩波器电路连接驱动模块，用于根据驱动模块的驱动信号，施加主电电压到负载上；斩波检测电路连接驱动模块，用于将半桥H斩波器电路的检测结果传输给驱动模块。
驱动模块包括驱动电路、驱动检测电路、斩波检测信号接收电路，驱动检测电路用于检测驱动电路的状态，将检测结果传输给控制模块。驱动模块根据斩波器检测结果，控制斩波器的工作状态，当斩波器中的功率管或二极管无法工作或停止工作时，控制斩波模块停止工作。
在本申请的一个具体实施例中，幅值转换电路如图4所示，包括依次连接的滤波电路、跟随电路、幅值变换电路，滤波电路采用RC滤波，包括电阻R1/电容C1，电阻R1的一端连接输入端，另一端连接电容C1的一端、跟随电路的输入端，作为滤波电路的输出端，电容C1的另一端接地。
跟随电路包括放大器U2A，其正输入端连接滤波电路的输出，其负输入端连接输出端，作为跟随电路的输出端。
幅值变换电路包括放大器U2B，其正输入端通过电阻R3接地，其负输入端通过电阻R5接跟随电路的输出端、通过电阻R4连接其输出端、通过电容C2连接其输出端。
在本申请的一个具体实施例中，隔离电路包括光耦U1，如图5所示，光耦的第一输入端接PWM信号，第一输出端接数字地；光耦的第二输入端接驱动电源正极，第二输出端为输出端，通过电阻R2接驱动电源地。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：包括控制模块、驱动模块、斩波模块、采集模块，控制模块、驱动模块、斩波模块依次连接，采集模块分别与控制模块、斩波模块连接，控制模块用于接收目标电流指令信号，根据采集模块采集到的主电电压信号、输出电流反馈信号，输出PWM控制信号给驱动模块，驱动斩波模块工作，使负载电流等于目标电流。
2.根据权利要求1所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：采集模块采集斩波模块主电电压信号、负载电流信号，对采集到的信号进行滤波与幅值变换后，传输给控制模块。
3.根据权利要求1所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：控制模块包括依次连接的前置电路、处理器电路、隔离电路，处理器电路与采集模块连接，隔离电路与驱动模块连接；前置电路用于接收目标电流指令信号，处理器电路用于根据目标电流指令信号，结合采集信号，输出PWM信号。
4.根据权利要求3所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：控制模块还包括驱动检测接收电路，与驱动模块连接，用于接收驱动模块的驱动检测信号，并根据驱动检测信号控制驱动模块工作状态。
5.根据权利要求1所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：采集模块包括依次连接的采样电路与幅值转换电路，幅值转换电路与斩波模块连接，采样电路与控制模块连接，采样电路用于采集主电电压信号、输出电流信号，幅值转换电路用于对采样到的电压信号、电流信号进行滤波与幅值转换。
6.根据权利要求5所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：幅值转换电路包括依次连接的跟随电路、放大电路，跟随电路用于实现采集信号跟随，放大电路用于对采集信号进行放大。
7.根据权利要求1所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：斩波模块包括依次连接的半桥H斩波器电路、斩波检测电路，半桥H斩波器电路连接驱动模块，用于根据驱动模块的驱动信号，施加电压到负载上；斩波检测电路连接驱动模块，用于将半桥H斩波器电路的检测结果传输给驱动模块。
8.根据权利要求1所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：驱动模块包括驱动电路、驱动检测电路，驱动检测电路用于检测驱动电路的状态，将检测结果传输给控制模块。
9.根据权利要求8所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：驱动模块还包括斩波检测信号接收电路，根据斩波检测信号，控制斩波模块的工作状态。
10.根据权利要求1所述磁悬浮列车用智能斩波电路，其特征在于：控制模块中的处理器电路，包括处理器芯片。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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