CN114665728B - 一种稳压控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种稳压控制方法及系统。该方法包括：获取原始交流电的周期、相电压过零点相位信息以及电压幅度，基于电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，相电压误差参数大于零表征电压幅度大于预设稳压输出电压目标值；判断相电压误差参数是否大于零，若是，则控制可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式，其中，可控整流采用数字移相进行同步斩波稳压工作模式。通过本申请，解决了由于稳压后输出电压与设定基准值接近，使得闭环反馈误差信号很小，难以根据该误差信号进行数字移相斩波稳压控制的问题，提高系统控制性能，来适应交流电压变化范围大和高效率输出。

Description

一种稳压控制方法及系统

技术领域

本申请涉及电压调节技术领域，尤其是涉及一种稳压控制方法及系统。

背景技术

发电机整流稳压器是重要的车载电气设备。车辆发动机驱动发电机产生交流电输出，整流稳压器通过整流变换、稳压控制为车载动力电池充电和电气设备提供电力。因发电机工况转速变化范围大，使得发电机输出电压范围大，而这些因素往往整流稳压模块的拓扑结构复杂，控制参数难以优化匹配等问题。

为了简化整流稳压模块的内部结构，目前使用闭环控制方式的斩波稳压电路来稳定发电机整流稳压器的输出电压。通过对整流稳压输出电压进行采样，并与设定目标值进行比较而形成误差信号，然后将误差信号放大，进一步转化为斩波占空比控制，即确定斩波移相参数，从而实现调节电压稳定的效果。然而，由于稳压后输出电压与设定基准值接近，使得闭环反馈误差信号很小，难以根据该误差信号进行数字移相斩波稳压控制。

发明内容

本申请提供一种稳压控制方法及系统，以解决由于稳压后输出电压与设定基准值接近，使得闭环反馈误差信号很小，难以根据该误差信号进行数字移相斩波稳压控制的问题，提高系统控制性能，来适应交流电压变化范围大和高效率输出。

第一方面，本申请实施例提供了一种稳压控制方法，该方法应用于可控整流稳压器，包括：

获取原始交流电的周期、相电压过零点相位信息以及电压幅度，基于所述电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，所述相电压误差参数大于零表征所述电压幅度大于所述预设稳压输出电压目标值；

判断所述相电压误差参数是否大于零，若是，则控制所述可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式，其中，所述可控整流稳压器采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作。

在其中的一些实施例中，所述同步斩波稳压工作模式包括：

每当交流电过零点时，关闭可控整流模块，并启动定时器进行定时，其中，所述定时的时间不超过交流电相电压连续发生两次过零点所述的时间；

当到达定时时间时，开通可控整流模块。

在其中的一些实施例中，所述过零点相位信息包括正向过零点和负向过零点，所述可控整流稳压器包括正向半波整流方式和负向半波整流方式，其中，基于相邻过零点之间的时间，获得交流电的半周期。

在其中的一些实施例中，确定所述斩波稳压工作模式的定时时间包括以下步骤：

基于交流电在过零点到斩波结束之间的电能等于所述相电压误差参数所对应的电能，获得结束斩波工作模式的相位值，其中，所述结束斩波工作模式的相位值和当前过零点的相位值之间的差值为斩波区间；

根据所述斩波区间和所述交流电的半周期，获得所述斩波区间的时间参数，基于定时器的时钟特性和所述斩波区间的时间参数，获得所述斩波稳压工作模式的定时时间。

在其中的一些实施例中，确定所述交流电过零点包括：

获取所述交流电中心点，并与所述相电压进行比较，比较结果发生正负极性变化的时刻对应所述交流电过零点相位。

在其中的一些实施例中，所述方法还包括所述交流电经过辅助整流滤波、稳压处理后为可控整流稳压器供电。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于第一方面所述方法的稳压控制系统，所述系统包括处理模块和计算模块，其中：

处理模块，用于获取原始交流电的周期、相电压过零点相位信息以及电压幅度；

计算模块，用于开环式稳压控制计算，基于所述电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，所述相电压误差参数大于零表征所述电压幅度大于所述预设稳压输出电压目标值；判断所述相电压误差参数是否大于零，若是，则控制所述可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式，其中，所述可控整流稳压器采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作。

在其中的一些实施例中，所述计算模块还用于在所述可控整流稳压其采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作中，每当交流电过零点时，关闭可控整流模块，并启动定时器进行定时，其中，所述定时的时间不超过交流电相电压连续发生两次过零点所述的时间；

当到达定时时间时，开通可控整流模块。

在其中的一些实施例中，所述系统还包括自供电模块，所述自供电模块用于将交流电经过辅助整流滤波、稳压处理后为稳压控制系统供电。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有能在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如第一方面所述的稳压控制方法。

综上所述，本申请实施例提供一种稳压控制方法及系统，避免了由于稳压后输出电压与设定基准值接近，使得闭环反馈误差信号很小，难以根据该误差信号进行数字移相斩波稳压控制的问题，也提高了系统控制性能，来适应交流电压变化范围大和高效率输出。

附图说明

图1是本实施例提供的稳压控制方法的流程图。

图2是本实施例确定交流电的频率和过零点的相位值的流程图。

图3是本实施例提供的开环式非线性稳压控制示意图。

图4是本实施例提供的稳压控制电路图。

附图标记：1、处理模块；2、计算模块；3、可控整流模块； 11、交流电波形取样电路；12、辅助整流滤波电路；13、直流电压取样电路；21、相位和频率采集单元；22、非线性开环稳压控制单元；23、同步整流与移相斩波控制单元；24、微处理器运算单元；31、同步整流功率桥及其驱动电路；41、辅助电源电路。

具体实施方式

为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。然而，本领域的普通技术人员应该明白，可以在没有这些细节的情况下实施本申请。在一些情形下，为了避免不必要的描述使本申请的各方面变得晦涩难懂，对已经在较高的层次上描述了众所周知的方法、过程、系统、组件和/或电路将不作过多赘述。对于本领域的普通技术人员来说，显然可以对本申请所公开的实施例作出各种改变，并且在不偏离本申请的原则和范围的情况下，本申请中所定义的普遍原则可以适用于其他实施例和应用场景。因此，本申请不限于所示的实施例，而是符合与本申请所要求保护的范围一致的最广泛范围。

除另作定义外，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应具有本申请所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。本申请所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在于对本申请的限制。如本申请所使用的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本申请中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块（单元）的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块（单元），而可包括未列出的步骤或模块（单元），或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块（单元）。

下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。

在本实施例中提供了一种稳压控制方法。图1是本实施例提供的稳压控制方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S101，获取原始交流电的周期、相电压过零点相位信息以及电压幅度，基于电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，相电压误差参数大于零表征电压幅度大于预设稳压输出电压目标值。

首先，通过全波整流和电容器滤波处理，定时对交流电进行采样，来获得直流电形式的幅度信号，并采集该幅度信号来计算获得交流电的电压幅度；其次，检测交流电的过零点相位信息和周期，具体为，对交流电进行分压、限压和消除杂音等处理，将交流电的中点信号作为参考，对中点信号与相电压信号进行比较，比较过程中极性发生变化的时刻，就是相电压过零点的时刻，其中相邻两次过零点之间的时间差的倒数即为半个周期，交流电的周期、过零点相位信息以及电压幅度都表达了交流电的波形参数。

步骤S102，判断相电压误差参数是否大于零，若是，则控制可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式其中，可控整流稳压器采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作。

其中，预设稳压输出电压目标值是由工作人员根据实际需求确定的可控整流稳压器期望输出的电压值，通过比较预设稳压输出电压目标值和电压幅度大小，确定当前获取的交流电的电压值是否过大，若判断电压幅度超过预设稳压输出电压目标值，则表征发电机输出的交流电的电压值过大，为了保证电压的稳定输出，可控整流稳压器需要进入同步斩波稳压工作模式，对交流电进行斩波操作。

为了进一步量化交流电进行的斩波操作，初始设定的目标电压值和电压幅度之间的差值就是斩波工作需要斩掉的电压值，使得交流电通过可控整流稳压器得到的电压值等于可控整流稳压器期望输出的电压值。在本实施例中，通过采用开环方式，确定实际电压值和期望电压值之间的差值，避免闭环反馈方式响应滞后而造成系统控制性能下降。

在同步斩波稳压工作模式下，每当交流电过零点时，关闭可控整流模块，并启动定时器进行定时，其中，定时的时间不超过交流电连续发生两次过零点所需的时间，当到达定时时间时，开通可控整流模块。

可控整流模块是通过上、下臂功率桥来对发电机输出的交流电进行整流。

其中，所述过零点的相位值包括正向过零点的相位值和负向过零点的相位值，所述可控整流稳压器包括正向半波整流方式和负向半波整流方式，当过零点的相位值为正向过零点的相位值时，可控整流稳压器进入负向半波整流方式；当过零点的相位值为负向过零点的相位值时，可控整流稳压器进入正向半波整流方式。

在上述实施例中，交流电在一个周期内会有相邻两次过零点，一次为交流电从正向到负向的过零点，另一次为交流电从负向到正向的过零点，对应的过零点相位也包括正向过零点的相位和负向过零点的相位。可控整流模块的上臂功率桥和下臂功率桥的开关状态时刻保持相反。本实施例通过三相数字移相斩波控制电路分别驱动控制相应的上桥臂功率开关和/或下桥臂功率开关的开通和关断时，即可实现对可控整流稳压器工作模式的控制。

在本实施例中可通过采集的方式确定相交流电的频率和过零点时刻。图2是本实施例采集所述定时获取交流电的频率和过零点的相位值的流程图。如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S201，采集定时获取的交流电，记为相电压信号。

步骤S202，采集定时获取的交流电的中线上的电信号，记为中点信号。

步骤S203，调用相电压信号和中点信号，并比较相电压信号和中点信号，得到交流电过零点的电平跳变信号。

步骤S204，电平跳变信号的相位值为交流电过零点的相位值，根据相邻两次电平跳变信号的相位差，获得交流电的周期或者频率。

其中，多相交流电采用负载星形接法即获得中点信号；在交流电的某一相和所述中点之间接入采样元件而获得采样电信号。所述采样电信号连接至比较器的输入端，比较器输出产生电平跳变的时刻即对应相电过零点相位。

半个周期具体的测量和计算方式为：已知定时计数器的计数时钟周期，通过计数方式测量相邻两次过零点之间的时间而计算出交流电的周期。然后基于交流电在过零点到斩波结束之间的电能等于相电压误差参数所对应的电能这一关系，获得斩波结束对应的相位值。根据开始斩波到结束斩波的斩波区间相位差和当前半周期，计算斩波周期的时间参数，再进一步，根据已知的定时器时钟，将斩波区间转换为定时器的计数值。

当到达定时时间时，结束斩波操作，控制可控整流稳压器进行同步整流输出。本实施例通过驱动信号和整流信号使得可控整流稳压器能够实现同步整流和移相斩波稳压控制功能。

在一个实施例中，若判断小于或等于初始设定的电压目标值时，则表征可控整流稳压器输出的电压值小于期望的电压目标值，此时，为了保证电压的稳定输出，可控整流稳压器进入升压控制工作模式。

进一步地，发电机输出的交流电通过辅助整流滤波处理后，转换为直流电并为稳压控制系统供电。其优势在于，在设备电瓶失电的状态下，可不依赖额外工作电源进行工作，能够减少额外电源的设置。

本实施例还提供了一种稳压控制系统，该系统包括处理模块1和计算模块2，其中：处理模块1，用于获取原始交流电的周期、过零点相位信息以及电压幅度；计算模块2，用于基于所述电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，所述相电压误差参数大于零表征所述电压幅度大于所述预设稳压输出电压目标值；然后，判断所述相电压误差参数是否大于零，若是，则控制所述可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式，其中，所述稳压控制模式采用开环式数字化移相的方式进行同步斩波稳压工作，为实现同步整流和移相斩波稳压控制功能提供时间基准，包括检测交流电发生过零点相位信息，计算交流电周期，计算斩波区间相位和定时参数。每当交流电发生过零点时，斩波开始，关闭可控整流模块并启动定时器运行，当定时器到达斩波区间定时时间时，打开可控整流模块并输出电能。

另外，本系统还提供了可控整流模块3，该模块采用全桥式可控整流器，在计算模块2的控制下，高效率地将交流电能转换为直流电能。

本实施例避免了由于稳压后输出电压与设定基准值接近，使得闭环反馈误差信号很小，难以根据该误差信号进行数字移相斩波稳压控制的问题，也提高了可控整流稳压器的控制性能。

在本实施例中，系统还包括辅助供电模块，用于将交流电经过辅助整流滤波处理后为系统供电。

图3是本实施例提供的稳压控制示意图，如图3所述，处理模块1包括交流电波形取样电路11、辅助整流滤波电路12和直流电压取样电路13，计算模块2包括相位和频率采集单元21、非线性开环稳压控制单元22、同步整流与移相斩波控制单元23和微处理器运算单元24，驱动模块3包括同步整流功率桥及其驱动电路31。

在图3中，交流发电机的输出分别连接至同步整流全桥及其驱动电路31、交流电波形取样电路11以及辅助整流电路12；相位和频率采集单元21结合交流电波形取样电路11的输出用于采集并测量发电机交流过零点，为同步整流与数字移相斩波控制单元23提供定时时间开始参数；非线性开环稳压控制单元22结合辅助整流滤波电路12和直流电压取样电路13，用于计算实际电压幅度和预设稳压输出电压目标值之间的差值，并确定结束斩波工作的相位值，为同步整流与数字移相斩波控制单元23提供定时时间结束参数；同步整流与移相斩波控制单元23的输出信号控制同步整流全桥及其驱动电路31工作，同时实现同步整流和斩波稳压功能。

应对设备电瓶失电状态下的应急用电需求，设置辅助电源电路41并结合辅助整流滤波电路12，为本实施例中的全部电路和单元提供供电功能。

优选地，相位和频率采集单元21、开环式非线性稳压控制单元22、同步整流与数字移相斩波控制单元23和微处理器运算单元24、基于数字集成微控制器及其软件功能实现。

图4是本实施例提供的稳压控制电路图，其中计算模块2和可控整流模块3仅列出了单相交流电的稳压控制电路，另外交流相对应控制电路相同，如图4所述，同步整流功率桥及其驱动电路31采用U2作为预驱动控制电路，其内嵌功率开关预驱动功能，设置有开关逻辑信号IN和关闭信号SD两个输入端，开关逻辑信号IN的逻辑高状态对应其高边驱动输出端HO有效，控制驱动上桥臂功率开关Q3导通、同时下桥臂功率开关Q6关断，而其开关逻辑信号IN的逻辑低状态则对应低边驱动输出端LO有效，则控制驱动上桥臂功率开关Q3关断、同时下桥臂功率开关Q6导通；关闭信号SD逻辑低状态禁止单桥臂预驱动电路输出。

交流电波形取样电路11使用电阻R9、R10、R18、R19和二极管D4、D5以及电容C24，将交流电的中线作为参考输入，对交流电相电压进行分压、限幅处理，形成包含交流电的正负半周过零点相位信息和周期信息的取样信号，该交流电波形取样电路11的输出连接到相位和频率采集单元21进行比较，得到对应该相交流电正负半周相位的信息，其中，相位和频率采集单元21是内嵌在单片机U9内部的，且相位和频率采集单元21的输入端口为U9的第5引脚和第7引脚，所述信息包括过零点相位值和交流电的周期。

另外，相位和频率采集单元21内设有比较功能，其根据比较功能来得到比较结果，再根据比较结果来触发内置在单片机U9的同步整流与移相斩波控制单元23。从比较的结果来看，如果结果为正向过零点触发，则单片机U9的15引脚为高电平，此时同步整流功率桥及其驱动电路31的驱动输出端HO有效；如果结果为负向过零点触发，则单片机U9的15引脚为低电平，此时同步整流功率桥及其驱动电路31的驱动输出端LO有效。而且单片机的内部设有定时器，可以测量交流电的半个周期。

因此，交流电波形取样电路11、单片机U9以及相位与频率采集单元21相配合，将单片机U9的15引脚输出的控制信号Signal与交流电过零点相位建立同步关系，为实现同步整流、移相斩波稳压控制功能提供了时间基准。

应对发电工况和负载状态的大范围变化，采用非线性斩波稳压控制模式对整流输出进行调节。为此，首先对发电电压强度进行取样检测，然后根据当前检测电压值与预设稳压输出电压目标值的差值进行开环式斩波稳压控制。

辅助整流滤波电路12使用微功率整流管D12、D15和电感L2以及电容C17、C18，将交流电作为输入，通过整流滤波处理后变换为直流电输出。

电压幅度取样电路13使用电阻R21、R31、R41和电容C11、C12，将辅助整流滤波电路12的输出量作为输入，通过分压和滤波处理后，形成对应交流电电压幅度的取样信号Simple，该信号连接单片机U9的第4引脚，并作为非线性开环稳压控制单元22的输入端。

非线性开环稳压控制单元22在接收到直流电压取样信号Simple后，先对其进行模拟-数字转换ADC处理，得到数字化的发电电压幅度数据，再计算得到相电压误差参数，如果发电电压幅度值大于预设稳压输出电压目标值，则非线性开环稳压控制单元22采取斩波稳压控制模式，即根据相电压误差参数和半周期，计算出稳压斩波移相定时时间。

单片机U9中还内置同步整流与移相斩波控制单元23，其将控制单元22计算得出的移相定时时间装入到可编程定时器中，从交流电过零点相位开始启动定时并使能“关闭信号SD”，禁止预驱动电路U2驱动输出，当斩波定时时间到达时撤销“关闭信号SD”，同步整流与移相斩波控制单元23同步地输出整流信号signal控制预驱动电路U2驱动可控整流模块实现每正半周波或者负半周波对应的同步斩波与同步整流。

辅助电源电路41包括辅助稳压器U10和二极管D11、D13以及电容器C16、C25，实现自供电功能，应对设备蓄电池失电的极限情况。

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机可以执行前述方法实施例中相应内容。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种稳压控制方法，该方法应用于可控整流稳压器，其特征在于，所述方法包括：

获取原始交流电的周期、相电压过零点相位信息以及电压幅度，基于所述电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，所述相电压误差参数大于零表征所述电压幅度大于所述预设稳压输出电压目标值；

判断所述相电压误差参数是否大于零，若是，则控制所述可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式，其中，所述可控整流稳压器采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作；

所述同步斩波稳压工作模式包括：每当交流电过零点时，关闭可控整流模块，并启动定时器进行定时，其中，所述定时的时间不超过交流电相电压连续发生两次过零点所述的时间；当到达定时时间时，开通可控整流模块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过零点相位信息包括正向过零点和负向过零点，所述可控整流稳压器包括正向半波整流方式和负向半波整流方式，其中，基于相邻过零点之间的时间，获得交流电的半周期。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述定时的时间的确定包括以下步骤：

基于交流电在过零点到斩波结束之间的电能等于所述相电压误差参数所对应的电能，获得结束斩波工作模式的相位值，其中，所述结束斩波工作模式的相位值和当前过零点的相位值之间的差值为斩波区间；

根据所述斩波区间和所述交流电的半周期，即获得所述斩波区间的时间参数，基于定时器的时钟特性和所述斩波区间的时间参数，获得所述定时的时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述交流电过零点包括：

获取所述交流电中心线上的电信号，并与所述交流电进行相电压比较，比较结果发生正负极性变化的时刻对应所述交流电过零点相位。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述交流电经过整流滤波辅助稳压处理后为稳压控制系统供电。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述方法的稳压控制系统，其特征在于，所述系统包括处理模块和计算模块，其中：

处理模块，用于获取原始交流电的周期、相电压过零点相位信息以及电压幅度；

计算模块，用于开环式稳压控制计算，基于所述电压幅度与预设稳压输出电压目标值，获得相电压误差参数，其中，所述相电压误差参数大于零表征所述电压幅度大于所述预设稳压输出电压目标值；判断所述相电压误差参数是否大于零，若是，则控制所述可控整流稳压器进入同步斩波稳压工作模式，其中，所述可控整流稳压器采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作；在所述可控整流稳压器采用数字移相的方式进行同步斩波稳压工作中，每当交流电过零点时，关闭可控整流模块，并启动定时器进行定时，其中，所述定时的时间不超过交流电相电压连续发生两次过零点所述的时间；当到达定时时间时，开通可控整流模块。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括自供电模块，所述自供电模块用于将交流电经过辅助整流滤波、稳压处理后为所述稳压控制系统供电。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有能在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的稳压控制方法。

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