CN113676090A - 一种平衡直流负载电压的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种平衡直流负载电压的控制系统及控制方法，其系统包括电流转换模块，用于将电池的电压信号转换为电流信号；充能件，其一端接地，另一端连接于电流转换模块，且其与电流转换模块的连接节点输出电压递增信号；第一开关件，其输入端与输出端并联于充能件，其控制端用于接收方波信号；比较模块，用于采集电压递增信号，并于电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号，于电压递增信号对应的电压值低于预设的基准电压值时输出低电平信号；功率开关管，其输入端与输出端串联于直流负载回路中，其控制端连接于比较模块的输出端。本申请具有简化恒压控制系统，降低生产难度，提升生产效率的效果。

Description

一种平衡直流负载电压的控制系统及控制方法

技术领域

本申请涉及直流负载电压控制的领域，尤其是涉及一种平衡直流负载电压的控制系统及控制方法。

背景技术

直流负载指应用直流电源进行供电的电子器件、电气设备，当直流电压在工作电压附近波动时直流负载的工作状态会产生相应的变化，例如发光元件的亮度会随电压降低而降低，直流电机的转速会随电压降低而减小。而部分直流负载可通过PWM的方式进行调节，例如LED灯的PWM调光，直流电机的PWM调转速等。

随着社会与技术的发展，剃须刀、理发剪、修毛器、抽水器等产品由手动逐渐发展到电动，该类用电设备一般都会包含电池充电管理、马达开关控制相关的硬件和电路。而马达的转速控制由原本的“随电池电压高低变化”发展至“恒压控制马达输出”，即分为以下两种处理方案：

1、电池+充电管理+马达+开关控制，此类为通用型做法，马达转速随电池电压变动（一般锂离子电池DC 3V-4.2V），实际体验感不佳。

2、电池+充电管理+马达+开关控制+DC-DC降压控制，此类产品可减少马达转速随电池电压的变化幅度，使得用户体验感上升。但其中DC-DC降压控制电路至少包含：DC-DC降压/升压芯片（同步降压）、功率电感、大容量输入输出电容以及电压反馈电路等，导致产品线路复杂。

针对上述中的相关技术，发明人认为目前的恒压控制系统构造复杂，存在有生产难度高，生产效率低的缺陷。

发明内容

第一方面，为了简化恒压控制系统，降低生产难度，提升生产效率。本申请提供一种平衡直流负载电压的控制系统。

本申请提供的一种平衡直流负载电压的控制系统，采用如下的技术方案：

一种平衡直流负载电压的控制系统，包括：

电流转换模块，用于采集电池的电压信号，并将所述电压信号转换为电流信号；

充能件，其一端接地，另一端连接于所述电流转换模块，用于接收所述电流信号进行充能，且其与电流转换模块的连接节点输出电压递增信号；

第一开关件，其输入端与输出端并联于所述充能件的两端，其控制端用于接收方波信号；

比较模块，用于采集所述电压递增信号，并于所述电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号，于所述电压递增信号对应的电压值低于预设的基准电压值时输出低电平信号；

功率开关管，其输入端与输出端串联于直流负载的供电回路中，其控制端连接于比较模块的输出端。

通过采用上述技术方案，电流转换模块将电池的电压信号等效转换为电流信号，电流信号随电压信号变化，因此可以反映电池的电压变化情况，第一开关件通过方波信号实现间歇导通或截止，当第一开关件截止时，充能件通电流开始充电，由于充能件的特性，其两端电压无法突变，因此其与电流转换模块的连接节点会输出电压递增信号，且对应的电压变化曲线具有固定斜率，当电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号，反之则输出低电平信号；PWM信号用于控制电机转速，其占空比由电池电压的电压值决定，电池电压越低则占空比越高，而PWM信号的占空比越高则电机转速越高，从而通过直接调节PWM信号的占空比补偿电机的输入电压及输入功率，减少电机转速的变化。

优选的，还包括第二开关件，所述第二开关件的输入端连接于电池正极，所述第二开关件的输出端通过充能件接地，其控制端用于接收同步信号。

通过采用上述技术方案，第二开关件工作在可变电阻区及截止区时存在阻抗，可以避免第一开关件导通时电池产生短路现象，同时通过同步信号的改变可以调整电容的充电速率，继而影响电压递增信号的变化曲线的斜率，从而对最终的功率开关管的PWM信号进行调节，调整电机的输入电压。

优选的，所述电流转换模块还包括第三开关件及接地电阻，所述第三开关件的输入端连接于电池正极，其输出端通过接地电阻接地，其控制端同时连接于其输出端及第二开关件的控制端，用于输出所述同步信号。

通过采用上述技术方案，第二开关件与第三开关件工作在可变电阻区，第二开关件的控制端同时连接于其输出端及第三开关件的控制端，以此使得第二开关件与第三开关件的控制端电压保持一致，以此使得第二开关件与第三开关件各自所在的支路电压保持一致或同比变化。

优选的，还包括RS触发器，所述RS触发器的R端连接于所述比较模块的输出端，其S端用于接收所述方波信号，RS触发器的直接复位端连接于所述功率开关管的控制端。

通过采用上述技术方案，依据RS触发器的特性，RS触发器的直接复位端输出PWM信号，RS触发器具有信号防抖的功能，可以避免R端与S端突然掉电时对最终PWM信号的影响，从而提高电机控制的精准性与稳定性。

优选的，所述比较模块包括第一电压比较器，所述第一电压比较器的同相输入端连接于充能件，其反相输入端用于接收对应所述基准电压值的基准信号。

通过采用上述技术方案，充能件与电流转换模块的连接节点输出电压递增信号，当电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号，于电压递增信号对应的电压值低于预设的基准电压值时输出低电平信号，从而反映电池电压的变化情况，并据此调整功率开关管的PWM信号。

优选的，所述第一电压比较器的反相输入端连接有电流源，该反相输入端还连接有可变电阻且通过可变电阻接地。

通过采用上述技术方案，通过电流源使得可变电阻所在回路产生恒定的电流，而通过调节可变电阻的阻值可以调整预设的基准电压值，从而对最终的PWM信号进行调节。

优选的，所述接地电阻采用变阻器。

通过采用上述技术方案，接地电阻采用变阻器，其阻值可以调节，以此调整电流镜电路的两条支路的电流值大小，调整电压递增信号的斜率，从而针对所适配的直流负载情况调整PWM信号；同时也可通过调节接地电阻的阻值调整欠压保护的触发条件。

优选的，所述方波信号的占空比为40%-60%。

通过采用上述技术方案，方波信号可用于设定PWM信号的周期，当占空比为40%-60%的区间内，可以配合电容等充能件的充放电，提升电压递增信号的稳定性。

优选的，还包括第四开关件、第二电压比较器、第一分压电阻及第二分压电阻，所述第一分压电阻一端连接于电池正极，其另一端通过第二分压电阻接地，所述第一分压电阻与第二分压电阻的连接点连接于第二电压比较器的同相输入端，第二电压比较器的反相输入端通过所述接地电阻接地，其输出端连接于所述第四开关件的控制端，所述第四开关件的输入端与输出端串联于第三开关件的输出端与接地电阻之间，所述第三开关件的控制端响应于低电平信号导通，所述第四开关件的控制端响应于高电平信号导通。

通过采用上述技术方案，当电池电压降低时，第一分压电阻与第二分压电阻的连接点的电压同步降低，虽然接地电阻与第三开关件的输出端连接点的电压也降低，但由于第三开关件工作在可变电阻区，第三开关件的控制端输入电压降低，使得第三开关件的阻值减小，使得第三开关件与接地电阻的阻值比发生变化，因此接地电阻与第三开关件的输出端连接点的电压变化量较小，当电池电压降低至触发欠压保护的阈值时，第二电压比较器的反相输入端超过同相输入端，从而使得第四开关件截止，从而切断PWM信号的输入，避免电机因输入电压过低而出现损坏现象，起到欠压保护的作用。

第二方面，为了简化恒压控制系统，降低生产难度，提升生产效率，本申请提供一种平衡直流负载电压的控制方法，采用如下的技术方案：

一种平衡直流负载电压的控制方法，包括：

采集预设目标电池的电池电压值；

判断电池电压值是否位于正常区间；

若是，则执行控制操作；

若否，则输出用于切断目标电池对直流负载供电的供电回路的操作指令；

所述控制操作包括，

获取电池电压值，并依据电池电压值计算得到参考值，电池电压值越高则参考值越高；

当参考值高于预设的基准值时输出第一参考信号，当参考值低于预设的基准值时输出第二参考信号；

依据预设固定周期内第一参考信号与第二参考信号的时间占比计算所需占空比；

输出对应所需占空比的用于控制直流负载输入功率的PWM信号。

通过采用上述技术方案，通过判断电池电压值是否位于正常区间的步骤对直流负载进行欠压保护，同时通过检测电池电压值计算PWM信号的占空比，当电池电压越低时，PWM信号的占空比越高，以此补偿直流负载的输入功率，使直流负载保持原有状态稳定运行。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.电流转换模块获得的电流信号可以反映电池的电压变化情况，第一开关件可使充能件间歇充电及放电，由于充能件的特性，其两端电压无法突变，因此其与电流转换模块的连接节点会输出电压递增信号，当电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号，反之则输出低电平信号，以此控制PWM信号的占空比，以控制电机转速，电池电压越低则占空比越高，而PWM信号的占空比越高则电机转速越高，从而通过直接调节PWM信号的占空比补偿电机等直流负载的输入电压及输入功率，减少电机转速的变化；

2.当电池电压过低时，第一分压电阻与第二分压电阻的连接点的电压同步降低，虽然接地电阻与第三开关件的输出端连接点的电压也降低，但电压变化量较小，当电池电压降低至触发欠压保护的阈值时，第二电压比较器的反相输入端超过同相输入端，从而使得第四开关件截止，从而切断PWM信号的输入，避免电机因输入电压过低而出现损坏现象，起到欠压保护的作用；

3.RS触发器具有信号防抖的功能，可以避免R端与S端突然掉电时对最终PWM信号的影响，从而提高电机控制的精准性与稳定性。

附图说明

图1是本申请实施例的平衡直流负载电压的控制系统的电路原理图。

图2是本申请实施例的直流有刷电机驱动部分的电路原理图。

图3是本申请实施例的平衡直流负载电压的控制系统的状态示意图，主要展示不同电池电压状态下的PWM信号输出情况。

图4是本申请实施例的平衡直流负载电压的控制方法的方法流程图。

附图标记说明：1、电流转换模块；2、比较模块；3、RS触发器；4、欠压保护模块。

具体实施方式

以下结合全部附图对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种平衡直流负载电压的控制系统。

本实施例中的直流负载以直流有刷电机为例。

参照图1、图2，平衡直流负载电压的控制系统，包括欠压保护模块4、PWM调节模块及功率开关管Q5。其中，欠压保护模块4用于对直流负载进行欠压保护，避免电池电压过低而使负载损坏。PWM调节模块可以检测电池的电压，并根据电压信号的电压值计算最终PWM信号的占空比。功率开关管Q5的输入端与输出端串联于直流负载的供电回路中，其控制端连接于PWM调节模块，从而接收根据电池电压适应性调节后的PWM信号，以此控制功率开关管Q5，在电池电压降低时补偿直流负载的输入功率，减少直流负载在电压波动情况下的状态变化。

PWM调节模块包括电流转换模块1、充能件、第一开关件Q1、比较模块2，其中电流转换模块1用于采集电池电压信号并将其转化为电流信号，其包括电流镜电路及接地电阻R3，电流镜电路包括第二开关件Q2及第三开关件Q3。其中，第一开关件Q1优选为NMOS管，第二开关件Q2及第三开关件Q3优选为PMOS管，充能件包括电容器C1，比较模块2包括第一电压比较器OP1、电流源I1及可变电阻RF。

第二开关件Q2及第三开关件Q3的源极均连接于电池正极，第三开关件Q3的漏极通过接地电阻R3接地，其栅极同时连接于其漏极及第二开关件Q2的栅极，第二开关件Q2的漏极通过电容器C1接地。依据电流镜电路的特性，第二开关件Q2及第三开关件Q3均工作在放大区，第二开关件Q2及第三开关件Q3的栅极互连，因此两者所在的支路电流值保持一致或呈倍数关系，以此实现支路电流的复制。且接地电阻R3采用变阻器，因此调节接地电阻R3的阻值可以调整两条支路的电流值。

参照图1、图3，第一开关件Q1的源极及漏极分别连接于电容器C1的两端，其栅极用于接收由单片机预先设置并输出的方波信号，方波信号的占空比可以选择40%-60%，本实施例优选为50%，以此使第一开关件Q1等间隔时间导通或截止。当第一开关件Q1接收到低电平信号时截止，电容器C1开始充电，由于电容器C1的特性，电容器C1的端电压呈线性变化，输出电压递增信号，其斜率与第二开关件Q2所在支路的电流呈正相关关系，即与电池电压值呈正相关关系。

第一电压比较器OP1的反相输入端，即-端用于接收电压信号VC，与电流源I1及可变电阻RF连接，且通过可变电阻RF接地，电流源I1用于提供恒定的电流。可变电阻RF的阻值可调节，以此调整反相输入端的预设的基准电压值。第一电压比较器OP1的同相输入端，即+端连接于电容器C1与第二开关件Q2的漏极之间的连接点，用于接收电压递增信号。依据第一电压比较器OP1的特性，+端电压高于-端电压时其输出端输出高电平信号，因此当电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号；电压递增信号对应的电压值低于预设的基准电压值时输出低电平信号。

由于电压递增信号与电压信号VC的电压值相近时，第一电压比较器OP1的输出端电压不稳定，因此在第一电压比较器OP1的输出端连接有RS触发器3，起到信号防抖的作用。RS触发器3的R端连接于第一电压比较器OP1的输出端，其S端用于接收所述方波信号，RS触发器3的直接复位端连接于功率开关管Q5的控制端，以此减少输入信号的抖动对PWM信号的影响，提升直流负载的运行稳定性。

其中，方波信号的频率设定，需要根据直流有刷电机的实际转速进行设定，方波信号中低电平信号对应的半周时间内，须保证电压输出端输出过高电平信号，若未出现高电平信号，则需要降低方波信号的频率，与直流有刷电机的转速相匹配。

欠压保护模块4包括第四开关件Q4、第二电压比较器OP2、第一分压电阻R1及第二分压电阻R2，第四开关件Q4采用NMOS管。第一分压电阻R1一端连接于电池正极，其另一端通过第二分压电阻R2接地，第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的连接点连接于第二电压比较器OP2的同相输入端，第二电压比较器OP2的反相输入端通过所述接地电阻R3接地，其输出端连接于第四开关件Q4的栅极，第四开关件Q4的源极连接于接地电阻R3一端，其漏极连接于第三开关件Q3的漏极。

当电池电压降低时，第一分压电阻R1与第二分压电阻R2由于阻值比不变，因此两者的连接点的电压同步降低。第三开关件Q3的源极连接于电池正极BAT+，因此接地电阻R3与第三开关件Q3的漏极连接节点的电压也降低，但由于第三开关件Q3工作在可变电阻区，第三开关件Q3的控制端随其漏极电位降低而降低，使得第三开关件Q3的阻值减小，使得第三开关件Q3与接地电阻R3的阻值比发生变化，因此接地电阻R3与第三开关件Q3的漏极连接点的电压变化量相较第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的连接点电压的变化量更小。因此当电池电压降低至触发欠压保护的阈值时，第二电压比较器OP2的反相输入端的电压反超同相输入端的电压，从而使得第四开关件Q4截止，从而切断电流镜电路，切断PWM信号的输入，功率开关管Q5截止，避免电机因输入电压过低而出现损坏现象，起到欠压保护的作用。

参照图2，且直流电机的两端可并联反向二极管D1，反向二极管D1可减少受直流电机的电刷影响而产生的尖峰电压，起到减少电气噪音的作用，提升电压的稳定性。本实施例的控制系统，可配合反向二极管D1及电机电感形成异步的恒压输出电路，以此减少电池电压波动对电机转速的影响，维持电机的稳速运行。

本申请实施例一种平衡直流负载电压的控制系统的实施原理为：当电池电压降低时，第三开关件Q3所在支路的支路电流降低，且第二开关件Q2所在支路的支路电流同步降低。当方波信号控制第一开关件Q1截止时，第二开关件Q2所在支路的电流对电容器C1进行充电。

由于电流随电池电压降低而降低，因此电容器C1的端电压升压速率变缓，端电压的电压斜率减小，参照图2中的State1状态与State2状态，State1斜线表示电池电压较高、支路电流较大时电容器C1的端电压变化情况，State2斜线则表示电池电压较低、支路电流较小时电容器C1的端电压变化情况，以此使得在第一开关件Q1截止期间，第一电压比较器OP1的输出端输出的高电平信号与低电平信号的比值减小，例如设State1斜线高于VC基准电压值部分与低于VC基准电压值部分的比值为a，State2斜线高于VC基准电压值部分与低于VC基准电压值部分的比值为b，则从图2中可知，a＞b。

第一电压比较器OP1的输出端的输出信号通过RS触发器3处理后，形成占空比升高的PWM信号，例如State1与State2，由于a＞b，因此如图2所示，State1对应的PWM信号的占空比较小，而State2对应的PWM信号的占空比较大。该PWM信号控制采用NMOS管的功率开关管Q5，以此补偿电池电压，以此在电池电压波动时维持直流有刷电机的转速不变，从而提升用户的使用体验。

本申请实施例还公开一种平衡直流负载电压的控制方法，参照图4，包括如下步骤：

S100、采集预设目标电池的电池电压值；

判断电池电压值是否位于正常区间；

若是，则执行控制操作；

若否，则输出用于切断目标电池对直流负载供电的供电回路的操作指令。

具体的，该正常区间可由厂家设定，具体需要根据直流负载的参数确定，在电池电压降低至欠压保护设定的最低电压阈值时，输出操作指令以切断目标电池对直流负载供电的供电回路，避免直流设备过载而损坏。

所述控制操作包括：

S200、获取电池电压值，并依据电池电压值计算得到参考值，电池电压值越高则参考值越高。

具体的，参考值可等于电池电压值与常数的乘积，随电池电压值的增长而增长，在参考值-时间的直角参考坐标系上呈具有一定斜率的斜线。

S300、基于参考值输出第一参考信号或第二参考信号：当参考值高于预设的基准值时输出第一参考信号，当参考值低于预设的基准值时输出第二参考信号；

依据预设固定周期内第一参考信号与第二参考信号的时间占比计算所需占空比。

具体的，预设固定周期基于所需的调控精度或频率设定，预设固定周期越短则直流负载的调控精度越高，但须保证同一预设固定周期内同时输出过第一参考信号、第二参考信号，若同一周期内不存在第一参考信号则可通过延长预设固定周期，或通过降低基准值修正。

S400、输出对应所需占空比的用于控制直流负载输入功率的PWM信号。

具体的，通过控制PWM信号的占空比，可以控制功率开关管Q5（见图2），以此补偿电压的变化量，维持直流有刷电机的转速不变，从而提升用户的使用体验。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：包括：

电流转换模块（1），用于采集电池的电压信号，并将所述电压信号转换为电流信号；

充能件，其一端接地，另一端连接于所述电流转换模块（1），用于接收所述电流信号进行充能，且其与电流转换模块（1）的连接节点输出电压递增信号；

第一开关件，其输入端与输出端并联于所述充能件的两端，其控制端用于接收方波信号；

比较模块（2），用于采集所述电压递增信号，并于所述电压递增信号对应的电压值超过预设的基准电压值时输出高电平信号，于所述电压递增信号对应的电压值低于预设的基准电压值时输出低电平信号；

功率开关管，其输入端与输出端串联于直流负载的供电回路中，其控制端连接于比较模块（2）的输出端。

2.根据权利要求1所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：所述电流转换模块（1）包括第二开关件，所述第二开关件的输入端连接于电池正极，所述第二开关件的输出端通过充能件接地，其控制端用于接收同步信号。

3.根据权利要求2所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：还包括第三开关件及接地电阻，所述第三开关件的输入端连接于电池正极，其输出端通过接地电阻接地，其控制端同时连接于其输出端及第二开关件的控制端，用于输出所述同步信号。

4.根据权利要求3所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：所述接地电阻采用变阻器。

5.根据权利要求1所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：还包括RS触发器（3），所述RS触发器（3）的R端连接于所述比较模块（2）的输出端，其S端用于接收所述方波信号，RS触发器（3）的直接复位端连接于所述功率开关管的控制端。

6.根据权利要求1所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：所述比较模块（2）包括第一电压比较器，所述第一电压比较器的同相输入端连接于充能件，其反相输入端用于接收对应所述基准电压值的基准信号。

7.根据权利要求6所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：所述第一电压比较器的反相输入端连接有电流源，该反相输入端还连接有可变电阻且通过可变电阻接地。

8.根据权利要求1所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：所述方波信号的占空比为40%-60%。

9.根据权利要求3所述的平衡直流负载电压的控制系统，其特征在于：还包括第四开关件、第二电压比较器、第一分压电阻及第二分压电阻，所述第一分压电阻一端连接于电池正极，其另一端通过第二分压电阻接地，所述第一分压电阻与第二分压电阻的连接点连接于第二电压比较器的同相输入端，第二电压比较器的反相输入端通过所述接地电阻接地，其输出端连接于所述第四开关件的控制端，所述第四开关件的输入端与输出端串联于第三开关件的输出端与接地电阻之间，所述第三开关件的控制端响应于低电平信号导通，所述第四开关件的控制端响应于高电平信号导通。

10.一种平衡直流负载电压的控制方法，其特征在于，包括，

采集预设目标电池的电池电压值；

判断电池电压值是否位于正常区间；

若是，则执行控制操作；

若否，则输出用于切断目标电池对直流负载供电的供电回路的操作指令；

所述控制操作包括，

获取电池电压值，并依据电池电压值计算得到参考值，电池电压值越高则参考值越高；

当参考值高于预设的基准值时输出第一参考信号，当参考值低于预设的基准值时输出第二参考信号；

依据预设固定周期内第一参考信号与第二参考信号的时间占比计算所需占空比；

输出对应所需占空比的用于控制直流负载输入功率的PWM信号。

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