CN114397833A

CN114397833A - 负载自适应的可控硅电路及控制方法

Info

Publication number: CN114397833A
Application number: CN202111451448.1A
Authority: CN
Inventors: 赖文焯
Original assignee: Shenzhen Lianzhou International Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Lianzhou International Technology Co Ltd
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2041-12-01
Also published as: CN114397833B

Abstract

本发明公开了一种负载自适应的可控硅电路及控制方法，所述方法，包括：基于MCU在一个信号周期内对可控硅驱动电压以及交流电源电压的信号进行采样，获取采样数据集；所述MCU对所述采样数据集进行处理，获取所述采样数据集的函数表达式的系数；所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数；所述MCU基于多个所述判断参数，确定负载的类型；所述MCU基于所述负载的类型，确定斩波深度。本发明的技术方案，在接入任意负载的形况下都可以根据可控硅的工作特征判断出负载类型，并根据不同的判断结果，自适应地控制斩波深度。

Description

负载自适应的可控硅电路及控制方法

技术领域

本发明属于可控硅斩波控制技术领域，尤其涉及一种负载自适应的可控硅电路及控制方法。

背景技术

可控硅斩波电路是一种通用的低成本电流/功率控制方案，主要用于家用交流系统调整负载获得的功率，例如调整照明系统的亮度、加热系统的功率和动力系统的转速等。

但是，现有的可控硅斩波电路存在如下技术问题：

1.不能识别接入的负载类型；2.不能根据负载的工作状态自适应地调整斩波深度，导致开关电源工作异常(例如LED灯产生闪烁)，或电动机运行不平稳，影响系统的正常运行；3.若增加电流检测部件，电路体积或温升会明显增大，在电流较大时不实用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种负载自适应的可控硅电路及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下技术方案：

一种负载自适应的可控硅电路控制方法，包括：

基于MCU在一个信号周期内对可控硅驱动电压以及交流电源电压的信号进行采样，获取采样数据集；

所述MCU对所述采样数据集进行处理，获取所述采样数据集的函数表达式的系数；

所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数；

所述MCU基于多个所述判断参数，确定负载的类型；

所述MCU基于所述负载的类型，确定斩波深度。

可选的，所述MCU对所述采样数据集进行处理，获取所述采样数据集的函数表达式的系数，包括：

所述MCU获取所述采样数据集的函数表达式x(n)；所述采样数据集包括N个采样数据；其中，0≤n≤N-1，N＝2^M,M为正整数；

所述MCU基于所述函数表达式x(n)，获取所述系数的函数表达式a(k)；其中，0≤k≤N-1；

所述MCU对所述系数的函数表达式a(k)进行分组处理，获取分组结果。

可选的，所述分组结果包括：

所述系数的第一函数表达式：当k＜N/2时，

所述系数的第二函数表达式：当k≥N/2时，

其中，E(k)为第一化简部分；

或

分别为第二化简部分。

可选的，所述MCU对所述系数的函数表达式进行分组处理，获取分组结果后，还包括：

所述MCU对所述系数的第一函数表达式进行拆分，获得第一拆分结果；同时，对所述系数的第二函数表达式进行拆分，获得第二拆分结果；

所述MCU重复以上拆分步骤对所述第一拆分结果再拆分M-2次，获得第一目标拆分结果；同时，所述MCU重复以上拆分步骤对所述第二拆分结果再拆分M-2次，获得第二目标拆分结果；

所述MCU基于所述第一目标拆分结果以及第二目标拆分结果，获得所述系数；

所述MCU基于所述系数，获得相位特征量的函数表达式。

可选的，所述相位特征量的函数表达式通过如下计算公式计算获得：

可选的，所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数，包括：

基于所述MCU在一个信号周期内分别对所述可控硅驱动电压以及交流电源电压的信号进行采样，获取第一采样数据集以及第二采样数据集；

所述MCU基于所述相位特征量的函数表达式对所述第一采样数据进行处理，获取第一相位特征量；

所述MCU基于所述相位特征量的函数表达式对所述第二采样数据进行处理，获取第二相位特征量；

所述MCU基于所述第一相位特征量以及第二相位特征量，获取第一判断参数。

可选的，所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数，还包括：

所述MCU基于所述系数，获取第二判断参数；

所述MCU基于所述第一判断参数，获取第三判断参数。

可选的，所述第二判断参数，通过如下计算公式计算获得：

可选的，所述MCU基于多个所述判断参数，确定负载的类型，包括：

所述MCU基于所述第一判断参数、第二判断参数以及第三判断参数，确定所述负载的类型。

本发明的实施例还提供一种负载自适应的可控硅电路，包括：

可控硅驱动电路，用于控制负载获得的功率；所述可控硅驱动电路的可控硅的第一端与负载耦接，所述可控硅的第二端与MCU的第一端耦接；

第一偏置放大电路，用于向所述MCU的第二端输入可控硅驱动电压的信号；所述第一偏置放大电路的第一端与所述可控硅的第二端耦接，所述第一偏置放大电路的第二端与所述MCU的第二端耦接；

第二偏置放大电路，用于向所述MCU的第三端输入交流电源电压的信号；所述第二偏置放大电路的第一端与所述负载的第二端耦接，所述第二偏置放大电路的第二端与所述MCU的第三端耦接；

所述MCU基于所述可控硅驱动电压的信号以及交流电源电压的信号，确定可控硅触发的信号。

本发明的实施例，具有如下技术效果：

本发明的上述技术方案，(1)运用全新算法直接对可控硅驱动波形做信号分析，通过自定义的信号特征量判断负载类型，并动态地控制斩波深度，实现电路的自适应工作，保证电路可靠地运行。

(2)对检测电路进行了精简，硬件电路体积小，发热也更小。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种负载自适应的可控硅电路的控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的电路关键波形示意图；

图3是本发明实施例提供的一种数据拆分的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的一种负载自适应的可控硅电路的控制方法的一个示例；

图5是本发明实施例提供的一种负载自适应的可控硅电路的控制装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种负载自适应的可控硅电路的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了便于本领域的技术人员对实施例的理解，对部分术语进行解释：

MCU：Microcontroller Unit，微控制单元。

ADC：Analog-to-Digital Converter，模/数转换器或者模拟/数字转换器。

如图1所示，本发明的实施例提供一种负载自适应的可控硅电路控制方法，包括：

步骤S1：基于MCU在一个信号周期内对可控硅驱动电压以及交流电源电压的信号进行采样，获取采样数据集；

如图2所示，为电路关键波形示意图，其中，U_i为输入电压，I_load为负载电流，U_TRIG是MCU发出的可控硅触发信号，本发明的实施例令U_TRIG在电压过零点前开通，在电流过零点后才关断，即令t₁>0,t₂>0，这时，斩波电路处于不斩波的状态。

在实际应用场景中，某些负载功率因数较低，可令U_TRIG的关断时间t₃尽量小，可保证晶闸管100％导通。U_G-T1是晶闸管G极和T1极之间的电压降。如图2中的U_G-T1(HOLD)，根据双向晶闸管的结构可知，当无驱动电流以后，只要电流大于维持电流I_H(大约几十mA)，G极和T1极之间至少存在一个PN结的压降。由于I_H较小，U_G-T1(HOLD)边沿和负载电流过零点可认为是时间一致的。

由于在功率系统中，检测I_load要付出额外的代价，因此，大电流系统中I_load一般不可直接检测。

基于以上分析，可通过分析U_G-T1特性间接得到I_load的特性。

步骤S2：所述MCU对所述采样数据集进行处理，获取所述采样数据集的函数表达式的系数；

具体的，所述MCU对所述采样数据集进行处理，获取所述采样数据集的函数表达式的系数，包括：所述MCU获取所述采样数据集的函数表达式x(n)；所述采样数据集包括N个采样数据；其中，0≤n≤N-1，N＝2^M，M为正整数；所述MCU基于所述函数表达式x(n)，获取所述系数的函数表达式a(k)；其中，0≤k≤N-1；所述MCU对所述系数的函数表达式a(k)进行分组处理，获取分组结果。

在实际应用场景中，通过ADC采样U_i或U_G-T1信号，U_i或U_G-T1均为周期函数，在一个信号周期内采样N个数据，记为x(n),n＝0,1,…N-1，x(n)是一个离散的周期函数，因此可以写成

其中系数

MCU需要求出系数a(k),k＝0,1,…N-1,但是，直接计算a(k)运算量太大，在后续斩波深度控制时需要较短的计算延迟，为了加快运算速度，可按照以下方法进行简化计算，令

则a(k)可写成

考虑到

则a(k)写成

令

则a(k)进一步可以写成

根据E(k)和O(k)的特性，有

E(k+N/2)＝E(k),O(k+N/2)＝O(k) (9)

且

其中，上述公式中的i是虚数单位，i＝sqrt(-1)；

所述分组结果包括：

所述系数的第一函数表达式：当k＜N/2时，

所述系数的第二函数表达式：当k≥N/2时，

其中，E(k)为第一化简部分；

或

分别为第二化简部分。

显然，每个a(k)都可以不断拆分，直到数据点数为2。

具体的，所述MCU对所述系数的函数表达式进行分组处理，获取分组结果后，还包括：

所述MCU对所述系数的第一函数表达式进行拆分，获得第一拆分结果；同时，所述MCU对所述系数的第二函数表达式进行拆分，获得第二拆分结果；

所述MCU基于所述系数，获得相位特征量的函数表达式。

其中，所述相位特征量的函数表达式通过如下计算公式计算获得：

假设N＝2^M个点，并定义

是n的二进制翻转表示，

例如M＝3时，000,001,010,011,100,101,110,111的二进制翻转为000,100,010,110,001,101,011,111，拆分的数据按照n的二进制翻转

来排列，根据式(11)和式(12)有，如图3所示；

因此，第一次拆分得

继续按此方法拆分M-2次，直到不可再拆分，即

通过以上方法，可以根据x(n),n＝0,1,…N-1计算得到a(k),k＝0,1,…N-1。

步骤S3：所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数；

具体的，所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数，包括：

其中，所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数，还包括：

所述MCU基于所述系数，获取第二判断参数；

所述MCU基于所述第一判断参数，获取第三判断参数。

可选的，所述第二判断参数，通过如下计算公式计算获得：

例如：当k＝1时，有

求得相位

在实际应用场景中，分别对U_i和U_G-T1采样N个点，得到U(n),n＝0,1,2,3…N-1和U_G-T1(n),n＝0,1,2,3…N-1，令

ψ＝∠U₁₍₁₎(n)-∠U_G-T1(1)(n)

ψ相对时间的函数ψ(t)可以作为判断负载类型的依据之一。

令

δ可以作为判断负载类型的另一个依据。

例如，对于异步电机，根据异步电机起动特性，达到同步转速的时间大约为：

由于异步起动时大部分时间都无法达到峰值转矩，平均转矩大约是峰值转矩的几分之一，因此上式可写为

式中，b为平均转矩相对峰值转矩的系数，t_S是达到同步转速的时间，n为同步转速，J为负载转动惯量，P是电机功率，T_q为平均起动转矩，T_l是负载转矩。

并计算每个工频周期的ψ的梯度参数▽ψ，获得第三判断参数，直到ψ持续一段时间不再变化为止。

步骤S4：所述MCU基于多个所述判断参数，确定负载的类型；

具体的，所述MCU基于多个所述判断参数，确定负载的类型，包括：

其中，负载的类型可以包括线性阻性负载、线性感性负载、线性容性负载、开关电源以及电机等。

综上，可得到负载识别的判断标准如表1。

表1 负载识别判断标准

其中，表1中的δ_th为开关电源的第二判断参数δ的阈值，产品出厂时校准后写入MCU，是一个常数；同样，ψ_th是电机的第三判断参数

的阈值，产品出厂时校准后写入MCU，也是一个常数。

例如：当MCU根据采集的信号计算得出，

ψ>0，δ＝1，则可以判断出负载的类型为线性感性负载。

本发明的实施例，运用全新算法直接对可控硅驱动波形做信号分析，通过自定义的信号特征量判断负载类型，并动态地控制斩波深度，实现电路的自适应工作，保证电路可靠地运行。

步骤S5：所述MCU基于所述负载的类型，确定斩波深度。

具体的，在得到负载类型后，可以根据负载的类型调整斩波深度。

在实际应用场景中，当接入线性负载时，斩波深度不会影响负载的正常工作；接入非线性负载时，斩波深度会影响负载工况。假定斩波深度为0％时表示不斩波，定义这时的δ为δ₀，系统上电后进行负载类型判断时，使斩波深度为0％，得到δ₀，令δ_s＝α·δ₀，0≤α≤1。按照固定步长增加斩波深度，并计算δ，当δ<δ_s时，不再增加斩波深度。

各负载类型斩波深度限制如表2。

表2 斩波深度限制

负载类型	斩波深度
		线性阻性负载	0％～100％
线性感性负载	0％～100％
		线性容性负载	0％～100％
开关电源	δ≥δ<sub>s</sub>
		电机	δ≥δ<sub>s</sub>
不被识别的负载	断开并警告用户

例如：当判断出负载的类型为线性感性负载，则可以确定斩波深度的可调整范围为0％～100％,MCU基于此输出对应的可控硅触发信号，调整斩波深度；当存在不被识别的负载的时候，MCU控制可控硅驱动电路断开并警告用户。

本发明的实施例，在接入任意负载的形况下都可以根据可控硅的工作特征判断出负载类型，并根据不同的判断结果，自适应地控制斩波深度。

如图4所示，本发明的上述实施例，可以基于如下实现方式实现：

(1)在一个信号周期内，对可控硅驱动电压和交流电源电压的信号进行采样，共采样2^M个点；

(2)对2^M个点进行排序；

(3)对排序后的数据进行数据分组；

(4)对分组数进行拆分；

(5)判断是否已拆分了M-1次，若否，则重复步骤(3)、(4)、(5)。

(6)若是，则得到可控硅驱动电压和交流电源电压的二项式系数；

(7)计算相位特征量Ψ以及

(8)计算幅值特征量δ；

(9)判断负载的类型；

(10)调整斩波深度。

如图5所示，本发明得实施例还提供一种负载自适应的可控硅电路控制装置500，包括：

采集单元501，基于MCU用于在一个信号周期内对可控硅驱动电压以及交流电源电压的信号进行采样，获取采样数据集；

处理单元502，用于所述MCU对所述采样数据集进行处理，获取所述采样数据集的函数表达式的系数；

计算单元503，用于所述MCU基于所述系数，计算获得多个判断参数；

确定单元504，用于所述MCU基于多个所述判断参数，确定负载的类型；

控制单元505，用于所述MCU基于所述负载的类型，确定斩波深度。

所述MCU对所述系数的函数表达式a(k)进行分组处理，获取分组结果；其中，所述分组结果包括所述系数的第一函数表达式以及所述系数的第二函数表达式。

可选的，所述分组结果包括：

所述系数的第一函数表达式：当k＜N/2时，

所述系数的第二函数表达式：当k≥N/2时，

其中，E(k)为第一化简部分；

或

分别为第二化简部分。

所述MCU基于所述系数，获得相位特征量的函数表达式。

可选的，所述MCU所述基于所述系数，计算获得多个判断参数，包括：

所述MCU基于所述系数，获取第二判断参数；

所述MCU基于所述第一判断参数，获取第三判断参数。

可选的，所述第二判断参数，通过如下计算公式计算获得：

如图6所示，本发明的实施例还提供一种负载自适应的可控硅电路，包括：

本发明的实施例，对检测电路进行了精简，硬件电路体积小，发热也更小。

具体的，交流电源AC的第二端、保险丝F1、第一电阻R1、第二电阻R2以及交流电源AC的第一端依次耦接；交流电源AC的第一端接地；

第一电阻R1、第二电阻R2、可控硅Q1、负载以及第一电感L1依次耦接；

其中，可控硅驱动电路包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及MOS管Q2；可控硅Q1、第四电阻R4、MOS管Q2以及第五电阻R5依次耦接；

第三电阻R3的第一端接地，第三电阻R3的第二端与可控硅Q1的第二端耦接；

第四电阻R4的第二端与MOS管Q2的漏极耦接；MOS管Q2的源极与电源负极耦接；

MOS管Q2的栅极分别与第五电阻R5的第一端以及第六电阻R6的第一端耦接；第五电阻R5的第二端与GPIO耦接；第六电阻R6的第二端接负电源；

U_TRIG输出高电平时发出可控硅Q1的触发信号，输出低电平时撤除可控硅Q1的触发信号。

其中，第一偏置放大电路包括：

第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第一运算放大器U1；

可控硅Q1的第二端与第八电阻R8的第一端耦接，第八电阻R8的第二端分别与第七电阻R7的第一端以及第一运算放大器U1的同相输入端耦接；第七电阻R7的第二端接地；第九电阻R9的第一端与电源的负极耦接；第九电阻R9的第二端的分别与第十电阻R10的第一端以及第一运算放大器U1的反相输入端耦接；第十电阻R10的第二端与第一运算放大器U1的输出端耦接；

第一运算放大器U1的输出端与ADC1端耦接；

第一偏置放大电路用于测量可控硅Q1的驱动波形，输出模拟电压U_G-T1。

其中，第二偏置放大电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14以及第二运算放大器U2；

第一电阻R1的第二端以及第二电阻R2的第一端分别与第十二电阻R12的第一端耦接；第十二电阻R12的第二端分别与第十一电阻R11的第一端以及第二运算放大器U2的同相输入端耦接；第十一电阻R11的第二端接地；

第十三电阻R13的第一端与电源负极耦接；第十三电阻R13的第二端分别与第二运算放大器U2的反相输入端以及第十四电阻R14的第一端耦接；第十四电阻R14的第二端与第二运算放大器U2的输出端耦接；

第二运算放大器U2的输出端与ADC2端耦接；

第二偏置放大电路用于测量负载获得的电压，输出模拟电压U_i。

本发明的上述实施例，通过如下工作原理得以实现：

(1)负载接入电路后，电压经过第十一电阻R11的分压后，输送到第二运算放大器U2的同相输入端，被偏置放大后输出到ADC2，MCU采集U_i信号；

(2)电压经过第七电阻R7的分压后，输送到第一运算放大器U1的同相输入端，被偏置放大后输出到ADC1，MCU采集U_G-T1信号；

(3)MCU基于U_i信号以及U_G-T1信号，输出U_TRIG，当U_TRIG为低电平，GPIO不发出可控硅Q1触发信号；当U_TRIG为高电平，GPIO发出可控硅Q1触发信号，MOS管Q2的栅极为高电平，MOS管Q2导通，可控硅Q1被触发导通，进而控制负载获得的功率。

另外，本发明实施例的电路的其他构成及作用对本领域的技术人员来说是已知的，为减少冗余，此处不做赘述。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。