CN1158744C - 恒流控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流控制装置，在现有技术基础上增加方波电流采样装置和A/D转换器，并将电流控制环路电流取样点改在输出滤波电感、电容电路之前，用电流互感器直接取样电感电流，使采样电流更接近电感电流；同时提出了输出直流电流采样补偿的方法：以方波电流采样装置作为电流控制环，输出直流电流采样装置仅用作输出电流精度的微调整，进行补偿处理，从而提高了恒流控制系统的稳定性和恒流精度。

Description

恒流控制装置和方法

本发明涉及电力系统，尤其涉及电力高频开关电源。

目前，电力高频开关电源在电力系统中的应用越来越广泛，其中，电力高频开关电源的恒流精度是一个非常重要的指标，它的精度直接影响电力高频开关电源中蓄电池的充、放电控制效果，以及蓄电池的寿命。目前电力高频开关电源的恒流精度一般企业标准要求≤0.5％，在100％额定电流值和50％额定电流值时，这一点容易实现；而在20％额定电流时，由于基准值较小，很难保证电力高频开关电源的恒流精度仍然符合≤0.5％的要求。恒流精度依赖于恒流环的稳定性、控制环路特性、系统的固有误差等主要因素。目前常规的通信用高频开关整流器、电力用高频开关整流器的电流控制环路的采样电路一般采用分流器、霍尔电流传感器，位置放在输出端，所测得的电流值是实际输出电流值，这种结构所使用的方法是输出直流电流采样方法，采用上述常规电流控制环路的整流器单台工作时，电流波形没有抖动，非常稳定。由于电力操作电源系统一般情况下是整流器多台并联输出供电，并且输出并联蓄电池以适应冲击载荷。实验过程中发现当多台并联时，电流波形抖动非常厉害，电流环控制电路幅值特性和频率特性都很不稳定，同时可以听到低频叫声，整流器输出电流在限流点附近波动很大，在该状态下工作，整流器的功率开关管很容易损坏。当整流器输出端与电池组并联时，其效果和现象与上述一样。虽然可以通过改变闭环补偿网络的RC参数解决多台负载并联时带来的上述问题，但是当改变电池组容量或改变电池组类型后前述现象又发生。这是因为电流控制环路采样电路位于输出端，易受不同特性负载干扰，尤其应用在多台并联输出或带蓄电池时，相当于输出LC滤波常数变化，从而改变系统的闭环幅频特性，导致系统不稳；更为严重的是，在负载的数量和蓄电池容量变化的情况下，根本无法保证系统的稳定工作和恒流精度。

本发明的目的是提供一种提高带电池并联工作或多机并联工作恒流环闭环稳定性的控制装置以及提高恒流精度的控制方法，以克服上述通信用高频开关整流器、电力用高频开关整流器在多机并联或带不同蓄电池时工作不稳定、系统恒流精度低的缺点。

为了实现上述目的，本发明构造了一种恒流控制装置，包括依次相连的人机对话装置、单片机、D/A转换器、电流给定电路、电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构和全桥变换器，所述全桥变换器两个输入端分别接直流电和所述驱动机构，输出端接至输出整流电路；所述输出整流电路正极输出端接至输出滤波电路输入端，输出滤波电路的输出端接到输出正端；放电电阻两端分别连接输出正端、输出整流电路和输出直流电流采样装置的公共端；其特征在于，还包括方波电流采样装置和A/D转换器；

所述方波电流采样装置位于所述输出整流电路和所述输出滤波电路之间，其输入端与所述输出整流电路连接，其输出端与所述输出滤波电路连接，其信号端与所述的电流控制环调节器连接；

所述A/D转换器的输入端与输出直流电流采样装置连接，输出端与所述的单片机连接；

所述输出直流电流采样装置输入端与所述输出整流电路的负极输出端连接，输出端连接到输出负端，信号端连接到所述A/D转换器的输入端。

本发明还提出了提高恒流精度控制的方法，包括以下步骤：

1)由单片机将初始电流给定值设定为目标值；

2)由单片机给出电流给定值；

3)根据系统输出电压和输出电流值判断，如果系统输出电压与单片机设置电压不相等，并且输出电流与单片机设置电流值相等，则系统工作在恒流状态系统，否则不是恒流状态。如果是恒流工作状态，则由输出直流电流采样装置采集实际输出电流值；如果不是，则转入步骤7)；

4)将采样电流进行A/D转换，使之转化为数字化采样电流信号；

5)将数字化采样电流信号与单片机内部设定的目标电流值比较，计算两者的电流差值；

6)根据计算所得的电流差值微调电流给定值，直到使实际输出电流值与目标值相等；

7)结束。

本发明针对在输出端滤波电路常数经常改变的情况下，现有的补偿网络不能在很宽的频率范围内满足系统稳定性的问题，本发明将电流控制环路电流取样点改在输出滤波电路之前，使得电流闭环系统频响特性不受输出端滤波参数的影响，从而当输出并联不同容量的蓄电池和多机并联的时候，都不会影响采样电流闭环特性。同时，用电流互感器直接取样电感电流，使采样电流更接近电感电流，闭环系统的快速性会大大提高。与现有技术相比，很大地提高了恒流控制系统的稳定性和可靠性，达到了提高恒流控制精度的目的。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明；

图1是现有技术中的恒流控制装置结构图；

图2是本发明所构造的恒流控制装置结构图；

图3是本发明所提出的电流补偿流程图；

图4是作为本发明实施例的全波整流电流补偿系统图。

在图1所示的常规恒流控制结构图中，包括全桥变换器、输出整流电路、输出滤波电路、输出直流电流采样装置、人机对话装置、单片机、D/A转换器、电流给定电路、电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构、放电电阻等部分，其连接关系如下：人机对话装置、单片机、D/A转换器、电流给定电路等构成预制系统，人机对话装置与单片机相连，单片机通过总线与D/A转换器连接，D/A转换器给出电流给定电路；电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构、全桥变换器、输出整流电路、输出滤波电路、输出直流电流采样装置等构成恒流控制系统，电流给定电路与电流控制环调节器相连，控制信号发生器接受电流控制环调节器信号，产生控制信号给驱动机构，驱动机构通过信号放大驱动全桥变换功率电路工作，全桥变换器将直流电变换成脉冲电给输出整流电路，输出整流电路连接输出滤波电路和输出直流电流采样装置，输出直流电流采样装置经过采样处理后给电流控制环调节器形成闭环。另外放电电阻分别与输出正端、输出整流电路负端连接。在该系统中，由于所述的电流控制环路电流采样电路位于输出端，很容易受不同特性负载的干扰，尤其应用在多台并联输出或带蓄电池时，相当于输出LC滤波常数变化，系统的闭环幅频特性变化很大，从而导致系统的不稳定，而且在并联工作的负载的数量和蓄电池容量变化的情况下，根本无法保证系统的稳定工作和恒流精度。

由于现有技术中造成电流控制环路不稳定的根本原因在于输出端滤波电路常数经常变化，而现有的补偿网络不能在很宽的频率范围内满足系统稳定性。所以，在图2所示的恒流控制系统图中，本发明将电流控制环路电流取样点改在输出滤波电路之前，使得电流闭环系统频响特性不受输出端滤波参数的影响。从而当输出并联不同容量的蓄电池和多机并联的时候，都不会影响采样电流闭环特性。同时，用电流互感器直接取样电感电流，使采样电流更接近电感电流，闭环系统的快速性会大大提高。与图1相比，本发明增加了方波电流采样装置、A/D转换器两个部分。全桥变换器、输出整流电路、方波电流采样装置、电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构等构成恒流控制。电流给定电路与电流控制环调节器相连，控制信号发生器接受电流控制环调节器信号，产生控制信号给驱动机构，驱动机构通过信号放大驱动全桥变换电路工作，全桥变换电路将直流电变换成脉冲电给输出整流电路，方波电流采样装置采样脉冲电流，包括输入端、输出端和信号端，其输入端与所述输出整流电路连接，其输出端与所述输出滤波电路连接，其信号端与所述的电流控制环调节器连接。全桥变换器、输出整流电路、输出滤波电路、输出直流电流采样装置、A/D转换器、单片机、D/A转换器、电流给定电路、电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构等构成恒流控制纠正环。输出直流电流采样装置的信号端连接到A/D转换器的输入端。A/D转换器的输出端连接单片机。与现有技术相比，很大地提高了恒流控制系统的稳定性，达到了提高恒流控制精度的目的。

图3是本发明所述的电流补偿流程图。由于采用输出滤波电路前电流采样，实际上取样电流不是输出负载电流，而是电感电流，输出端的放电电阻、输出电压采样电阻的分流都会造成稳流精度超标。虽然通过增大放电电阻值和电压取样电阻值，可以使稳流精度控制在一定范围内，但会直接影响空载时系统的稳定性，同时也会影响系统的安全性，本发明采用图3所示的电流补偿方法有效地解决了这一稳定性问题，简单地说，本发明所述方法就是在电流控制环之外，设立误差补偿、调整环节，达到提高控制精度的目的：通过人机对话装置给单片机给出电流给定电路，并设定目标值，系统工作后，根据系统输出电压和输出电流值检测是否处于恒流状态，如不是则结束；如是，则将输出直流电流采样装置与设定目标值比较，当误差值不为零时，则修正给定值，如误差值为零，则认为是正常工作，不做处理，这样就提高了系统的稳定性和安全性。

图4是作为本发明实施例的全波整流电流补偿电路图。为了叙述方便和突出重点，图4省略了人机对话装置、单片机、D/A转换器、电流给定电路、电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构、全桥变换器等装置和电路。图中VD1、VD2是输出整流二极管，T1、T2是电流环采样互感器，VD3、VD4为二极管，R1、R2为电流互感器采样电阻，C2为电流互感器采样滤波电容，L1为输出滤波电感，C1输出滤波电容，SH1是输出电流采样分流器，R3是输出放电电阻和输出电压采样电阻的等效值，X1、X2是功率变压器副边接线端子，X3、X4是互感器采样输出端子，X5、X6是分流器采样输出端子，X7、X8是系统输出端子。本电路采用电流互感器作为电流环采样装置，分流器采样输出电流作为软件补偿。具体工作过程如下：系统正常工作时，T1、T2的采样值经过滤波后与电流控制环闭环正常工作。而SH1采样实际输出电流I_s，经过处理后送给单片机，单片机将I_s与设定目标值I_M比较，根据差值修改给定值，最终实现I_s与设定目标值I_M相等。

本发明不但可以应用在电力电源、通讯电源等领域，还可以应用在所有高精度恒流控制领域；此外本发明可以应用在各种输出整流拓扑结构中，如半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路等。

Claims (3)

1、一种恒流控制装置，包括依次相连的人机对话装置、单片机、D/A转换器、电流给定电路、电流控制环调节器、控制信号发生器、驱动机构和全桥变换器，所述全桥变换器两个输入端分别接直流电和所述驱动机构，输出端接至输出整流电路；所述输出整流电路正极输出端接至输出滤波电路输入端，输出滤波电路的输出端接至输出正端；放电电阻两端分别连接输出正端、输出整流电路和输出直流电流采样装置的公共端；其特征在于，还包括方波电流采样装置和A/D转换器；

所述方波电流采样装置位于所述输出整流电路和所述输出滤波电路之间，其输入端与所述输出整流电路连接，其输出端与所述输出滤波电路连接，其信号端与所述的电流控制环调节器连接；

所述A/D转换器的输入端与输出直流电流采样装置连接，输出端与所述的单片机连接；

所述输出直流电流采样装置输入端与所述输出整流电路的负极输出端连接，输出端连接到输出负端，信号端连接到所述A/D转换器的输入端。

2、根据权利要求1所述的恒流控制装置，其特征在于，所述的输出直流电流采样装置采用电流互感器。

3、一种恒流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由单片机将初始电流给定值设定为目标值；

2)由单片机给出电流给定值；

3)根据系统输出电压和输出电流值判断，如果系统输出电压与单片机设置电压不相等，并且输出电流与单片机设置电流值相等，则系统工作在恒流状态系统，否则不是恒流状态；如果是恒流工作状态，则由输出直流电流采样装置采集实际输出电流值；如果不是，则转入步骤7)；

4)将采样电流进行A/D转换，使之转化为数字化采样电流信号；

5)将数字化采样电流信号与单片机内部设定的目标电流值比较，计算两者的电流差值；

6)根据计算所得的电流差值微调电流给定值，直到使实际输出电流值与目标值相等；

7)结束。

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