CN113478065A - 复用h桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置 - Google Patents

复用h桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置 Download PDF

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CN113478065A CN202110735502.9A CN202110735502A CN113478065A CN 113478065 A CN113478065 A CN 113478065A CN 202110735502 A CN202110735502 A CN 202110735502A CN 113478065 A CN113478065 A CN 113478065A
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胡超
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Abstract

本发明适用于电力电子技术领域，提供了一种复用H桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置，其中，复用H桥电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂，控制方法包括多个周期，每个周期均具有上半周期和下半周期，首先在上半周期，控制所述c相桥臂停止工作，并控制所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压；然后在下半周期，控制所述a相桥臂停止工作，并控制所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压；本发明通过复用b桥臂，构成两个H桥，从而在在上半周期，所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压，在下半周期，c相桥臂相对于b相桥臂输出反向电压，使复用H桥电路实现了在半个周期单侧供电。

Description

复用H桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种复用H桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置。
背景技术
在许多应用场合需要用到摩擦焊，比如眼镜架焊接、汽车尾灯焊接等。当需要焊接时，将摩擦上工件和摩擦下工件压紧。在左振动线圈通入电流，摩擦上工件往左运动，在右振动线圈通入电流后，摩擦上工件往右运动。摩擦上工件如此往复快速振动，上下工件相接处摩擦生热融化，将两个工件焊接在一起。
传统的控制方法是利用通用变频器控制，输出三相对称的交流电，交流电包括a相电压、b相电压和c相电压。左振动线圈的两端分别连接a相电压和b相电压，右振动线圈的两端分别连接b相电压和c相电压，电压的幅值可以由振幅控制外环得到，电压的频率可以设置为谐振频率，无电流环。因为在a相电流的半个周期内，c相电流非零。左线圈往左运动的力，会被右线圈往右运动的力削弱。在单位电流下不能完成最大出力，造成摩擦焊装置的效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种复用H桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置，旨在解决现有技术存在的利用通用变频器控制而导致摩擦焊装置的效率低的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种复用H桥电路的控制方法，所述复用H桥电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂；所述控制方法包括多个周期，每个所述周期均具有上半周期和下半周期；所述复用H桥电路的控制方法包括：
在所述上半周期，控制所述c相桥臂停止工作，并控制所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压；
在所述下半周期，控制所述a相桥臂停止工作，并控制所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压。
本发明实施例的第二方面提供了一种控制电路，用以实现上述复用H桥电路的控制方法。
本发明实施例的第三方面提供了一种摩擦焊装置，包括H桥复用电路和上述控制电路；
所述H桥复用电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过复用b桥臂，构成两个H桥，从而在上半周期，所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压，在下半周期，c相桥臂相对于b相桥臂输出反向电压，使复用H桥电路实现了在半个周期单侧供电。当应用于摩擦焊装置时，通过实现半个周期只有单侧线圈通电，达到单位电流最大出力的效果，提高了摩擦焊装置的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的复用H桥电路的控制方法的一种实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的电流控制器工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的a相电流和c相电流的波形图；
图4为本发明实施例提供的b相电流的波形图，
图5为本发明实施例提供的H桥复用电路的一种电路原理示意图；
图6是本发明实施例提供的摩擦焊装置的关键信号的一种波形图；
图7是本发明实施例提供的摩擦焊装置的关键信号的另一种波形图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1示出了本发明实施例提供的复用H桥电路的控制方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
复用H桥电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂，控制方法包括多个周期，每个周期均具有上半周期和下半周期。
在步骤101中，在上半周期，控制c相桥臂停止工作。
步骤101可以具体为：在上半周期，将低电平的c相桥臂驱动信号输出至c相桥臂。
通过将低电平的c相桥臂驱动信号输出至c相桥臂，使c相桥臂中的功率开关管截止，在上半周期内控制c相桥臂停止工作，从而复用H桥电路在上半周期内仅a相桥臂以及b相桥臂工作并构成第一H桥。当应用于摩擦焊装置时，在上半周期内仅与第一H桥连接的线圈有电流流过，提高了电流的利用效率。
在步骤102中，在上半周期，控制a相桥臂相对于b相桥臂输出正向电压。
步骤102可以具体为：在上半周期，以正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal PulseWidth Modulation，SPWM)方式调制a相桥臂和b相桥臂，以使a相桥臂相对于b相桥臂输出正向电压。
通过SPWM调制，可以通过调节调制波的幅值和频率改变正向电压的幅值和频率，实现了对上半周期的输出电压的控制。
具体实施中，步骤102可以包括步骤A1至步骤H1。
A1.获取a相正弦调制波、b相正弦调制波和载波；载波为等腰三角波，a相正弦调制波与b相正弦调制波反相，a相正弦调制波在上半周期为正电压。
B1.获取a相正弦调制波和载波的第一交点。
C1.获取b相正弦调制波和载波的第二交点。
D1.根据第一交点确定第一脉冲宽度和第一脉冲间隔宽度。
E1.根据第二交点确定第二脉冲宽度和第二脉冲间隔宽度。
F1.根据第一脉冲宽度和第一脉冲间隔宽度生成上半周期的a相桥臂驱动信号。
G1.根据第二脉冲宽度和第二脉冲间隔宽度生成上半周期的b相桥臂驱动信号。
H1.在上半周期，根据a相桥臂驱动信号驱动a相桥臂，并根据上半周期的b相桥臂驱动信号驱动b相桥臂，以使a相桥臂相对于b相桥臂输出正向电压。
通过步骤A1至步骤H1，以SPWM方式调制a相桥臂和b相桥臂，由于a相正弦调制波与b相正弦调制波反相，a相正弦调制波在上半周期为正电压；故使得在上半周期内a相桥臂相对于b相桥臂输出正向电压。
在步骤103中，在下半周期，控制a相桥臂停止工作。
步骤103可以具体为：在下半周期，将低电平的a相桥臂驱动信号输出至a相桥臂。
通过将低电平的a相桥臂驱动信号输出至a相桥臂，使a相桥臂中的功率开关管截止，在下半周期内控制a相桥臂停止工作，从而复用H桥电路在下半周期内仅c相桥臂以及b相桥臂工作并构成第二H桥。当应用于摩擦焊装置时，在下半周期内仅与第二H桥连接的线圈有电流流过，提高了电流的利用效率。
在步骤104中，在下半周期，控制c相桥臂相对于b相桥臂输出反向电压。
步骤104可以具体为：在下半周期，以SPWM方式调制c相桥臂和b相桥臂，以使c相桥臂相对于b相桥臂输出反向电压。
通过SPWM调制，可以通过调节调制波的幅值和频率改变反向电压的幅值和频率，实现了对下半周期的输出电压的控制。
具体实施中，步骤104可以包括步骤A2至步骤H2。
A2.获取c相正弦调制波、b相正弦调制波和载波；载波为等腰三角波，c相正弦调制波与b相正弦调制波反相，c相正弦调制波在下半周期为负电压。
B2.获取c相正弦调制波和载波的第三交点。
C2.获取b相正弦调制波和载波的第四交点。
D2.根据第三交点确定第三脉冲宽度和第三脉冲间隔宽度。
E2.根据第四交点确定第四脉冲宽度和第四脉冲间隔宽度。
F2.根据第三脉冲宽度和第三脉冲间隔宽度生成下半周期的c相桥臂驱动信号。
G2.根据第四脉冲宽度和第四脉冲间隔宽度生成下半周期的b相桥臂驱动信号。
H2.在下半周期，根据c相桥臂驱动信号驱动c相桥臂，并根据下半周期的b相桥臂驱动信号驱动b相桥臂，以使c相桥臂相对于b相桥臂输出反向电压。
通过步骤A2至步骤H2，以SPWM方式调制c相桥臂和b相桥臂，由于c相正弦调制波与b相正弦调制波反相，c相正弦调制波在下半周期为负电压；故使得在下半周期内c相桥臂相对于b相桥臂输出反向电压。
复用H桥电路的控制方法的原理如下。作为示例而非限定，为了直接控制正弦电流，电流控制器采用比例谐振(Proportional resonant，PR)控制器，电流控制器的工作示意图图2所示。
电流频率参考ωref经过积分得到角度，角度经过三角函数计算得到正弦值，该正弦值与电流幅值参考Iref的乘积得到电流参考信号iref，电流参考信号iref与电流反馈信号ifdk做差，该差值经过PR控制器得到电压参考信号uref。电流幅值参考Iref可以由振幅控制环得到。
将电流幅值给定Iref为50mA，频率给定设置ωref为2*pi*100Hz，按照上面的控制框图，可以得到三相电流波形图如图3和图4所示。图3为a相电流和c相电流的波形图，a相调制波正半周，a相电流为正的半个正弦波，此时c相电流为零；在a相调制波负半周，c相电流为负的半个正弦波，此时a相电流为零。图4为b相电流的波形图，b相为a相和b相提供回路，b相电流为完整正弦波。
为了实现上述复用H桥电路的控制方法，本发明实施例还提供了一种控制电路，用以实现上述的复用H桥电路的控制方法。
本发明实施例还提供了一种摩擦焊设备，包括H桥复用电路和上述控制电路；其中，H桥复用电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂。
如图5所示，a相桥臂11包括第一功率开关器件M1和第二功率开关器件M2；b相桥臂12包括第三功率开关器件M3和第四功率开关器件M4；c相桥臂13包括第五功率开关器件M5和第六功率开关器件M6。
第一功率开关器件M1的漏极、第三功率开关器件M3的漏极以及第五功率开关器件M5的漏极连接至电源的正极；第二功率开关器件M2的源极、第四功率开关器件M4的源极以及第六功率开关器件M6的源极连接至电源的负极。
第一功率开关器件M1的源极和第二功率开关器件M2的漏极共同连接至a相桥臂11的输出端。
第三功率开关器件M3的源极和第四功率开关器件M4的漏极共同连接至b相桥臂12的输出端。
第五功率开关器件M5的源极和第六功率开关器件M6的漏极共同连接至c相桥臂13的输出端。
第一功率开关器件M1的栅极和第二功率开关器件M2的栅极共同输入a相桥臂驱动信号。
第三功率开关器件M3的栅极和第四功率开关器件M4的栅极共同输入b相桥臂驱动信号。
第五功率开关器件M5的栅极和第六功率开关器件M6的栅极共同输入c相桥臂驱动信号。
其中，摩擦焊装置的关键信号波形图如图6和图7所示。在图6和图7中，Va为a相正弦调制波，Vb为b相正弦调制波，Vc为c相正弦调制波，A1为输入至第一功率开关器件M1的第一a相桥臂驱动信号，A2为输入至第二功率开关器件M2的第二a相桥臂驱动信号，a相桥臂驱动信号包括第一a相桥臂驱动信号和第二a相桥臂驱动信号；B1为输入至第三功率开关器件M3的第一b相桥臂驱动信号，B2为输入至第四功率开关器件M4的第二b相桥臂驱动信号，b相桥臂驱动信号包括第一b相桥臂驱动信号和第二b相桥臂驱动信号；C1为输入至第五功率开关器件M5的第一c相桥臂驱动信号，C2为输入至第六功率开关器件M6的第二c相桥臂驱动信号，c相桥臂驱动信号包括第一c相桥臂驱动信号和第二c相桥臂驱动信号。uab为a相桥臂相对于b相桥臂输出的正向电压；ucb为c相桥臂相对于b相桥臂输出的反向电压。
值得注意的是，上述两电平拓扑的H桥复用电路仅为一个实施例，H桥复用电路可以为两电平拓扑、三电平拓扑、五电平拓扑、七电平拓扑或更多电平的拓扑结构；上述功率开关器件作为H桥复用电路的功率开关管可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)、金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-CommutatedThyristor，IGCT)等器件。
该控制电路除应用于摩擦焊装置以外，还可以应用于其它需要使用H桥复用电路的领域。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述复用H桥电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂；所述控制方法包括多个周期，每个所述周期均具有上半周期和下半周期；所述复用H桥电路的控制方法包括：
在所述上半周期，控制所述c相桥臂停止工作，并控制所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压；
在所述下半周期，控制所述a相桥臂停止工作，并控制所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压。
2.如权利要求1所述的复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述在所述上半周期，控制所述c相桥臂停止工作包括：
在所述上半周期，将低电平的c相桥臂驱动信号输出至所述c相桥臂。
3.如权利要求1所述的复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述在所述下半周期，控制所述a相桥臂停止工作包括：
在所述下半周期，将低电平的a相桥臂驱动信号输出至所述a相桥臂。
4.如权利要求1所述的复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述在所述上半周期，控制所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压包括：
在所述上半周期，以SPWM方式调制所述a相桥臂和所述b相桥臂，以使所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压。
5.如权利要求4所述的复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述以SPWM方式调制所述a相桥臂和所述b相桥臂，以使所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压包括：
获取a相正弦调制波、b相正弦调制波和载波；所述载波为等腰三角波，所述a相正弦调制波与所述b相正弦调制波反相，所述a相正弦调制波在所述上半周期为正电压；
获取所述a相正弦调制波和所述载波的第一交点；
获取所述b相正弦调制波和所述载波的第二交点；
根据所述第一交点确定第一脉冲宽度和第一脉冲间隔宽度
根据所述第二交点确定第二脉冲宽度和第二脉冲间隔宽度；
根据所述第一脉冲宽度和所述第一脉冲间隔宽度生成所述上半周期的a相桥臂驱动信号；
根据所述第二脉冲宽度和所述第二脉冲间隔宽度生成所述上半周期的b相桥臂驱动信号；
在所述上半周期，根据所述a相桥臂驱动信号驱动所述a相桥臂，并根据所述上半周期的b相桥臂驱动信号驱动所述b相桥臂，以使所述a相桥臂相对于所述b相桥臂输出正向电压。
6.如权利要求1所述的复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述在所述下半周期，控制所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压包括：
在所述下半周期，以SPWM方式调制所述c相桥臂和所述b相桥臂，以使所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压。
7.如权利要求6所述的复用H桥电路的控制方法，其特征在于，所述在所述下半周期，以SPWM方式调制所述c相桥臂和所述b相桥臂，以使所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压包括：
获取c相正弦调制波、b相正弦调制波和载波；所述载波为等腰三角波，所述c相正弦调制波与所述b相正弦调制波反相，所述c相正弦调制波在所述下半周期为负电压；
获取所述c相正弦调制波和所述载波的第三交点；
获取所述b相正弦调制波和所述载波的第四交点；
根据所述第三交点确定第三脉冲宽度和第三脉冲间隔宽度；
根据所述第四交点确定第四脉冲宽度和第四脉冲间隔宽度；
根据所述第三脉冲宽度和所述第三脉冲间隔宽度生成所述下半周期的c相桥臂驱动信号；
根据所述第四脉冲宽度和所述第四脉冲间隔宽度生成所述下半周期的b相桥臂驱动信号；
在所述下半周期，根据所述c相桥臂驱动信号驱动所述c相桥臂，并根据所述下半周期的b相桥臂驱动信号驱动所述b相桥臂，以使所述c相桥臂相对于所述b相桥臂输出反向电压。
8.一种控制电路，其特征在于，用以实现如权利要求1至7任意一项所述复用H桥电路的控制方法。
9.一种摩擦焊设备，其特征在于，包括H桥复用电路和如权利要求8所述控制电路；
所述H桥复用电路包括a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂；
所述a相桥臂包括第一功率开关器件和第二功率开关器件；所述b相桥臂包括第三功率开关器件和第四功率开关器件；所述c相桥臂包括第五功率开关器件和第六功率开关器件；
所述第一功率开关器件的漏极、所述第三功率开关器件的漏极以及所述第五功率开关器件的漏极连接至电源的正极；所述第二功率开关器件的源极、所述第四功率开关器件的源极以及所述第六功率开关器件M6的源极连接至电源的负极；
所述第一功率开关器件的源极和第二功率开关器件的漏极共同连接至所述a相桥臂的输出端；
所述第三功率开关器件的源极和所述第四功率开关器件的漏极共同连接至所述b相桥臂的输出端；
所述第五功率开关器件的源极和所述第六功率开关器件的漏极共同连接至所述c相桥臂的输出端；
所述第一功率开关器件的栅极和第二功率开关器件的栅极共同输入所述a相桥臂驱动信号；
所述第三功率开关器件的栅极和所述第四功率开关器件的栅极共同输入所述b相桥臂驱动信号；
所述第五功率开关器件的栅极和所述第六功率开关器件的栅极共同输入所述c相桥臂驱动信号。
10.如权利要求9所述的摩擦焊设备，其特征在于，所述功率开关器件可以是IGBT管、MOSFET管或IGCT管。
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