CN114337260B - 一种提升电感负载电流动态响应速度的电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升电感负载电流动态响应速度的电路及控制方法，属于电力电子技术领域；该电路主要包括半桥式电容充放电电路、电感负载、主回路开关管和二极管；半桥式电容充放电电路包括开关管、储能电容、稳压TVS二极管、电感和续流二极管；本发明利用储能电容为媒介，通过对开关管的控制，使得储能电容通过反复充放电，提高电感负载端电压，从而提升电感负载的电流上升速度；在电感负载电流快速下降阶段，通过改变电感负载的电流路径，对电源和储能电容充电，从而提高电感负载电流的下降速度；在恒流稳态控制阶段，通过调节开关管的占空比，实现电感负载电流的稳态控制；本发明电路能够显著改善电感负载电流的动态响应速度。

Description

一种提升电感负载电流动态响应速度的电路及控制方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种提升电感负载电流动态响应速度的电路及控制方法。

背景技术

目前，电机工作磁场的产生主要有两种方案。一种是由永磁体产生，另一种则是通过电电感负载来产生磁场。相比来说，电感负载磁场大小可控，且不易出现磁饱和现象。电感负载电流是电感负载同步电机中转子流过的电流，为同步发电机或者同步电动机提供工作磁场。电感负载系统中，这个电流是由外加在同步电机转子上的电压产生的。对于同步电机来说，电感负载电流的上升速度直接决定了同步电机的暂态稳定性。现代的电感负载系统均采用电感负载调节器对电感负载电流进行控制，提升电机性能。

电感负载电流的上升速度主要依赖与转子的时间常数和电感负载电压。近几年来，一些厂家和研究机构通常采用全桥式电感负载方法，可以使电感迅速放电，但是不能有效提升电感负载电流的上升速度。此外，还有通过boost电路提高电感负载电压的方案，但是boost电路的电流输出能力有限，同样制约了电感负载电流的上升速度。而当转子结构固定之后，转子等效电阻电感都被确定，难以通过改变转子时间常数的方法提高电感负载电流动态响应速度。

电感负载电流控制的关键因素在于提高电感负载电压或者说提高电感负载电源的能量传递到电感上的速度。目前使用的一些电路拓扑和控制方法仍然面临这很多问题，在实际的电机控制系统应用中，研究一套动态响应快、工作稳定、能耗低、成本低的电感负载电流控制系统成为目前应用中的迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提升电感负载电流动态响应速度的电路及控制方法，实现电感负载电流的快速上升、稳定、下降。解决传统电感负载控制系统电感负载电流的动态响应慢的问题，有效提高电感负载电流控制系统的动态响应速度，以较少的器件实现了对电感负载电流的最优控制和对电感负载能量的回收。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，该电路包括半桥式电容充放电电路、电感负载、开关管Q3～Q4和二极管D1～D3；所述半桥式电容充放电电路包括开关管Q1～Q2，以及储能电容C1、稳压TVS二极管、电感L2和续流二极管D4；所述电感负载等效为串联的电阻R1和电感L1；

所述开关管Q1、开关管Q2和电感L2依次串联；所述续流二极管D4并联在电感L2两端，且正极接地；所述二极管D1、开关管Q3、电感负载(即R1和L1)、开关管Q4依次串联；所述二极管D3并联在电感负载和开关管Q4的两端，且正极接地；所述储能电容C1和稳压TVS二极管并联，一端与开关管Q1和开关管Q2的连接点连接，另一端与二极管D2负极，以及二极管D1和开关管Q3的连接点连接；所述二极管D2正极与电感负载和开关管Q4的连接点连接；所述开关管Q1的一端和二极管D1的正极均连接至电源正极；

该电路由开关管Q3～Q4实现对电感负载电流的开关控制；由二极管D1～D3配合开关管实现对电感负载电流方向的控制。

进一步，在电感负载电流需要快速上升时，开关管Q1、Q2处于互补循环导通的状态；开关管Q3、Q4都导通；在电感负载电流达到稳态时，开关管Q1、Q2处于关闭状态；开关管Q3处于导通状态，根据恒流设定值调节开关管Q4的占空比；在电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1、Q2、Q3、Q4全部处于关闭状态；当下降电流达到设定值时，开关管Q3处于导通状态，根据恒流设定值调节开关管Q4的占空比。

进一步，该电路的控制方法具体包括以下步骤：

S1：在电感负载电流上升过程中，打开开关管Q3、Q4，然后控制开关管Q2打开，给储能电容C1充电；储能电容C1电压上升到一定电压后，开关管Q2关断，开关管Q1打开，储能电容C1放电，此时电源和储能电容C1同时给电感负载充电；以储能电容C1为能量转换媒介，通过开关管Q1、Q2在上述过程的快速循环，提高电感负载端的等效电压，从而提升电感负载电流的上升速度，使得电感负载电流能够以较快速度上升到接近目标值的范围内；

S2：在电感负载电流上升到接近目标值的范围内，开关管Q1、Q2断开，开关管Q3导通；通过PI算法调节开关管Q4的占空比，从而对电感负载电流进行恒流控制；

S3：当电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1～Q4全部断开；电感负载的电流通过二极管D2、储能电容C1、开关管Q1的寄生二极管和二极管D3组成的回路进行能量的快速释放，同时给储能电容C1和电源进行充电，稳压TVS二极管对储能电容C1两端进行限压保护，使得电感负载电流快速下降到目标值范围内。

进一步，步骤S1中，储能电容C1充放电的动态响应过程，由下述线性二阶常微分方程的特征根法描述：

其中，R是储能电容C1充电过程的回路电阻值，L是限制储能电容C1充电电流的电感L2的电感值，C是储能电容C1的电容值；由上述参数计算出常微分方程的特征根p₁，p₂；A₁，A₂是与电路初值有关的参量，由电路的零状态决定；u_c是储能电容C1电压值，t是时间变量。

进一步，步骤S2中，采用PI算法调节开关管Q4的占空比，从而对电感负载电流进行恒流控制，具体包括以下步骤：

S21：根据电感负载电流上升的斜率对电流上升进行预测；

电感负载电流上升的斜率k₁为：

其中，i是电感负载电流，t是时间，Us是电源电压，τ是时间常数，R是电感负载电阻值大小；

S22：根据实际电路设定一个稳态范围δ，在斜率达到对应值后，判断在电流达到目标数值的±δ％范围内，控制电路从电流上升状态切换为稳态控制；此时，开关管Q1、Q2断开，开关管Q3导通，根据目标值要求控制开关管Q4导通的占空比，具体计算方法如下：

控制器根据当前电感负载电流和给定值之间的反馈误差信号I_ERROR，经过位置式PI运算之后，计算开关管Q4的占空比，使得电感负载电流达到稳态值；

PI算法输出Duty与I_ERROR关系表达式为：

Duty＝K_pI_ERROR+K_i∫I_ERRORdt

其中，Duty是控制主回路开关管Q4通断的占空比，K_p和K_i是PI控制器的比例系数和积分系数。

进一步，步骤S3中，使得电感负载电流快速下降，具体包括以下步骤：

S31：电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1～Q4全部断开，电感负载通过二极管D2、二极管D3和开关管Q1的寄生二极管快速放电；

S32：根据电感负载电流下降的斜率对电流下降进行预测；

电感负载电流下降的斜率k₂为：

其中，i是电感负载电流，t是时间，I₀是稳态时的负载电流，τ是时间常数；

根据实际电路设定一个稳态范围δ，在斜率达到对应值后，判断在电流达到目标数值的±δ％范围内，控制电路从电流快速下降状态切换为恒流稳态控制；此时，开关管Q1、Q2处于关闭状态，开关管Q3处于导通状态，根据目标值要求控制开关管Q4导通的占空比，电感负载经二极管D2和开关管Q3进行续流，通过PI算法控制，使得电感负载电流快速到达目标值。

本发明的有益效果在于：本发明通过利用核心储能电容作为媒介，提高了对电源的利用效率，加快了能量从电源向转子回路电感的转移，提高了电感负载电流的上升速度。在需要电感负载电流下降时，通过开关管改变电感电流释放的通路，使得电感负载电流快速下降，电感能量被电源和电容快速回收；被电容回收的能量用于下次上升时的助力，从而有效提高了能量的利用率，降低了功耗。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明快速提高电感负载电流动态响应的电路拓扑图；

图2为电容助力充电波形及控制波形示意图；

图3为电容助力电路工作流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3，图1为一种快速提升电感负载电流动态响应的电路拓扑图，该电路包括半桥式电容充放电电路、电感负载、开关管Q3～Q4和二极管D1～D3。其中半桥式电容充放电电路包括开关管Q1～Q2，以及储能电容C1、稳压TVS二极管、电感L2和续流二极管D4；电感负载等效为串联的电阻R1和电感L1。

所述开关管Q1、开关管Q2和电感L2依次串联；所述续流二极管D4并联在电感L2两端，且正极接地；所述二极管D1、开关管Q3、电感负载(即R1和L1)、开关管Q4依次串联；所述二极管D3并联在电感负载和开关管Q4的两端，且正极接地；所述储能电容C1和稳压TVS二极管并联，一端与开关管Q1和开关管Q2的连接点连接，另一端与二极管D2负极，以及二极管D1和开关管Q3的连接点连接；所述二极管D2正极与电感负载和开关管Q4的连接点连接；所述开关管Q1的一端和二极管D1的正极均连接至电源正极；

该电路由开关管Q3～Q4实现对电感负载电流的开关控制；由二极管D1～D3配合开关管实现对电感负载电流方向的控制。

在电感负载电流上升状态时，开关管Q1、Q2处于互补循环导通的状态；开关管Q3、Q4都导通；在电感负载电流达到稳态时，开关管Q1、Q2处于关闭状态；开关管Q3处于导通状态；开关管Q4根据电流设定值调节占空比；在电感负载电流处于下降状态时，开关管Q1、Q2、Q3、Q4全部处于关闭状态。

图3为电容助力电路工作流程图，如图3所示，图1中电路拓扑的控制方法具体包括以下步骤：

S1：在电感负载电流上升过程中，打开开关管Q3、Q4，然后控制开关管Q2打开给储能电容C1充电；储能电容C1电压上升到一定电压后，开关管Q2关断，开关管Q1打开，储能电容C1放电，此时电源和储能电容C1同时给电感负载充电；以储能电容C1为能量转换媒介，通过开关管Q1、Q2在上述过程的快速循环，提高电感负载端的等效电压，从而提升电感负载电流的上升速度，使得电感负载电流能够以较快速度上升到目标值。

图2为电容助力充电波形及控制波形示意图，如图2所示，储能电容C1充放电的动态响应过程，由下述线性二阶常微分方程的特征根法描述：

其中，R是储能电容C1充电过程的回路电阻值，L是限制储能电容C1充电电流的电感L2的电感值，C是储能电容C1的电容值；由上述参数计算出常微分方程的特征根p₁，p₂；A₁，A₂是与电路初值有关的参量，由电路的零状态决定；u_c是储能电容C1电压值，t是时间变量。

S2：在电感负载电流上升到接近目标值的范围内，开关管Q1、Q2断开，开关管Q3常闭；通过PI算法调节开关管Q4的占空比，从而对电感负载电流进行恒流控制。具体包括以下步骤：

S21：根据电感负载电流上升的斜率对电流上升进行预测；

电感负载电流上升的斜率k₁为：

其中，i是电感负载电流，t是时间，Us是电源电压，τ是时间常数，R是电感负载电阻值大小；

S22：根据实际电路设定一个稳态范围δ，在斜率达到对应值后，判断在电流达到目标数值的±δ％范围内，控制电路从电流上升状态切换为稳态控制；此时，开关管Q1、Q2断开，开关管Q3导通，开关管Q4根据目标值要求控制导通的占空比，具体计算方法如下：

控制器根据当前电感负载电流和给定值之间的反馈误差信号I_ERROR，经过位置式PI运算之后，计算开关管Q4的占空比，使得电感负载电流达到稳态值；

PI算法输出Duty与I_ERROR关系表达式为：

Duty＝K_pI_ERROR+K_i∫I_ERRORdt

其中，Duty是控制主回路开关管通断的占空比，K_p和K_i是PI控制器的比例系数和积分系数。

S3：当电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1～Q4全部断开；电感负载的电流通过二极管D2、储能电容C1、开关管Q1的寄生二极管和二极管D3组成的回路进行能量的快速释放，同时给储能电容C1和电源进行充电，稳压TVS二极管对储能电容C1两端电流进行限压保护，使得电感负载电流快速下降。具体包括以下步骤：

S31：电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1～Q4全部断开，电感负载通过二极管D2、二极管D3和开关管Q1的寄生二极管快速放电；

S32：根据电感负载电流下降的斜率对电流下降进行预测；

电感负载电流下降的斜率k₂为：

其中，i是电感负载电流，t是时间，I₀是稳态时的负载电流，τ是时间常数；

根据实际电路设定一个稳态范围δ，在斜率达到对应值后，判断在电流达到目标数值的±δ％范围内，控制电路从电流快速下降状态切换为恒流稳态控制；此时，开关管Q1、Q2处于关闭状态，开关管Q3处于导通状态，根据目标值要求控制开关管Q4导通的占空比，电感负载经二极管D2和开关管Q3进行续流，通过PI算法控制，使得电感负载电流快速到达目标值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，该电路包括半桥式电容充放电电路、电感负载、开关管Q3～Q4和二极管D1～D3；所述半桥式电容充放电电路包括开关管Q1～Q2，以及储能电容C1、稳压TVS二极管、电感L2和续流二极管D4；所述电感负载等效为串联的电阻R1和电感L1；

所述开关管Q1、开关管Q2和电感L2依次串联；所述续流二极管D4并联在电感L2两端，且正极接地；所述二极管D1、开关管Q3、电感负载、开关管Q4依次串联；所述二极管D3并联在电感负载和开关管Q4的两端，且正极接地；所述储能电容C1和稳压TVS二极管并联，一端与开关管Q1和开关管Q2的连接点连接，另一端与二极管D2负极，以及二极管D1和开关管Q3的连接点连接；所述二极管D2正极与电感负载和开关管Q4的连接点连接；所述开关管Q1的一端和二极管D1的正极均连接至电源正极；

该电路由开关管Q3～Q4实现对电感负载电流的开关控制；由二极管D1～D3配合开关管实现对电感负载电流方向的控制。

2.根据权利要求1所述的一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，在电感负载电流需要快速上升时，开关管Q1、Q2处于互补循环导通的状态；开关管Q3、Q4都导通；在电感负载电流达到稳态时，开关管Q1、Q2处于关闭状态；开关管Q3处于导通状态，根据恒流设定值调节开关管Q4的占空比；在电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1、Q2、Q3、Q4全部处于关闭状态；当下降电流达到设定值时，开关管Q3处于导通状态，根据恒流设定值调节开关管Q4的占空比。

3.根据权利要求1或2所述的一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，该电路的控制方法具体包括以下步骤：

S1：在电感负载电流上升过程中，打开开关管Q3、Q4，然后控制开关管Q2打开，给储能电容C1充电；储能电容C1电压上升到一定电压后，开关管Q2关断，开关管Q1打开，储能电容C1放电，此时电源和储能电容C1同时给电感负载充电；以储能电容C1为能量转换媒介，通过开关管Q1、Q2在上述过程的快速循环，提高电感负载端的等效电压，从而提升电感负载电流的上升速度，使得电感负载电流能够以较快速度上升到接近目标值的范围内；

S2：在电感负载电流上升到接近目标值的范围内，开关管Q1、Q2断开，开关管Q3导通；通过PI算法调节开关管Q4的占空比，从而对电感负载电流进行恒流控制；

S3：当电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1～Q4全部断开；电感负载的电流通过二极管D2、储能电容C1、开关管Q1的寄生二极管和二极管D3组成的回路进行能量的快速释放，同时给储能电容C1和电源进行充电，稳压TVS二极管对储能电容C1两端进行限压保护，使得电感负载电流快速下降到目标值范围内。

4.根据权利要求3所述的一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，步骤S1中，储能电容C1充放电的动态响应过程，由下述线性二阶常微分方程的特征根法描述：

其中，R是储能电容C1充电过程的回路电阻值，L是限制储能电容C1充电电流的电感L2的电感值，C是储能电容C1的电容值；由上述参数计算出常微分方程的特征根p₁，p₂；A₁，A₂是与电路初值有关的参量，由电路的零状态决定；u_c是储能电容C1电压值，t是时间变量。

5.根据权利要求3所述的一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，步骤S2中，采用PI算法调节开关管Q4的占空比，从而对电感负载电流进行恒流控制，具体包括以下步骤：

S21：根据电感负载电流上升的斜率对电流上升进行预测；

电感负载电流上升的斜率k₁为：

其中，i是电感负载电流，t是时间，Us是电源电压，τ是时间常数，R是电感负载电阻值大小；

S22：根据实际电路设定一个稳态范围δ，在斜率达到对应值后，判断在电流达到目标数值的±δ％范围内，控制电路从电流上升状态切换为稳态控制；此时，开关管Q1、Q2断开，开关管Q3导通，根据目标值要求控制开关管Q4导通的占空比，具体计算方法如下：

控制器根据当前电感负载电流和给定值之间的反馈误差信号I_ERROR，经过位置式PI运算之后，计算开关管Q4的占空比，使得电感负载电流达到稳态值；

PI算法输出Duty与I_ERROR关系表达式为：

Duty＝K_pI_ERROR+K_i∫I_ERRORdt

其中，Duty是控制主回路开关管Q4通断的占空比，K_p和K_i是PI控制器的比例系数和积分系数。

6.根据权利要求3所述的一种提升电感负载电流动态响应速度的电路，其特征在于，步骤S3中，使得电感负载电流快速下降，具体包括以下步骤：

S31：电感负载电流需要快速下降时，开关管Q1～Q4全部断开，电感负载通过二极管D2、二极管D3和开关管Q1的寄生二极管快速放电；

S32：根据电感负载电流下降的斜率对电流下降进行预测；

电感负载电流下降的斜率k₂为：

其中，i是电感负载电流，t是时间，I₀是稳态时的负载电流，τ是时间常数；

根据实际电路设定一个稳态范围δ，在斜率达到对应值后，判断在电流达到目标数值的±δ％范围内，控制电路从电流快速下降状态切换为恒流稳态控制；此时，开关管Q1、Q2处于关闭状态，开关管Q3处于导通状态，根据目标值要求控制开关管Q4导通的占空比，电感负载经二极管D2和开关管Q3进行续流，通过PI算法控制，使得电感负载电流快速到达目标值。

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