專利名稱：串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)的能量控制技術(shù)，該控制技術(shù)能夠通過對諧振電感電流或者諧振電容電壓的瞬時(shí)值的直接控制實(shí)現(xiàn)諧振環(huán)能量瞬時(shí)值的直接控制，并能通過對諧振環(huán)的控制實(shí)現(xiàn)功率的正向、零功率以及反向傳遞。
背景技術(shù)：
目前，在電力電子技術(shù)中常采用串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)作為能量傳遞的中介，利用串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)的電流、電壓的波形轉(zhuǎn)換功能為主功率管提供零電流、零電壓開關(guān)時(shí)刻。公知的串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)主要應(yīng)用于半橋、全橋結(jié)構(gòu)的主電路中，而對串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量的控制技術(shù)主要有調(diào)壓控制、移相控制和功率密度控制技術(shù)等。調(diào)壓控制根據(jù)輸出功率的要求，調(diào)節(jié)DC/DC變換部分主開關(guān)的占空比，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)輸入側(cè)的母線電壓的調(diào)節(jié)，而不改變其余功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)的功率傳遞；移相控制技術(shù)采用調(diào)節(jié)相應(yīng)主功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)對輸出功率的控制；而功率密度控制技術(shù)將固有諧振頻率fr(fr=1/2πLrCr)]]>的整數(shù)倍(一般常取50～100)設(shè)為一個(gè)控制單元，根據(jù)輸出功率的要求，一次性集中驅(qū)動(dòng)主功率管，以達(dá)到控制目標(biāo)，一般只適用于存在大滯后響應(yīng)時(shí)間負(fù)載的控制調(diào)節(jié)(例如爐溫控制調(diào)節(jié)等)。以上三種控制方法在實(shí)質(zhì)上都是根據(jù)輸出功率大小調(diào)節(jié)加在串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)上的等效平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)諧振電感電流或者諧振電容電壓的調(diào)節(jié)，在控制策略上，均不能滿足串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制的要求；而當(dāng)輸出功率需要大范圍調(diào)節(jié)甚至存在功率零點(diǎn)和反向功率流時(shí)(例如感性負(fù)載和再生發(fā)電負(fù)載條件下的正弦波逆變電源)，調(diào)壓控制、移相控制及功率密度控制均存在控制的難點(diǎn)甚至無法實(shí)現(xiàn)；當(dāng)需要通過調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓跟隨的控制要求時(shí)(例如正弦波逆變電路)，如果出現(xiàn)短路狀態(tài)，而系統(tǒng)沒有附加的保護(hù)電路，將給整個(gè)電路系統(tǒng)造成破壞性的危害。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)對高頻變化的串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值的直接控制、克服現(xiàn)有串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)控制技術(shù)中功率控制范圍小、需外加檢測電路實(shí)現(xiàn)過載及短路保護(hù)等不足，本發(fā)明提供一種串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制技術(shù)，即諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的直接控制技術(shù)，它不僅能實(shí)現(xiàn)輸出功率的正向、零功率甚至反向傳遞；而且可以通過給定限幅實(shí)現(xiàn)過載甚至負(fù)載短路狀況下的輸出限流功能；主功率管均可工作在定頻、定寬、零電流或者零電壓開關(guān)狀態(tài)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是根據(jù)電感存儲(chǔ)能量eLr和電感電流iLr之間的關(guān)系eLr=12LriLr2]]>及電容存儲(chǔ)能量eCr和電容電壓uCr之間的關(guān)系eCr=12CruCr2,]]>可以將對串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)的能量瞬時(shí)值控制轉(zhuǎn)化為對諧振電感電流iLr及諧振電容電壓uCr的絕對值的控制；通過諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的直接控制實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量的直接控制，從而實(shí)現(xiàn)諧振環(huán)傳輸功率大小的控制。根據(jù)諧振環(huán)工作于固有諧振頻率fr時(shí)，諧振電感電流和諧振電容電壓波形的正弦波特性，采用頻率為fr的等幅正弦波作為載波，而將外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為調(diào)制波(以正弦波逆變電源為例，輸出電壓瞬時(shí)值閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為調(diào)制波)，采用高頻乘法器實(shí)現(xiàn)載波和調(diào)制波的線性相乘，乘法器輸出取絕對值后作為諧振電感電流或者諧振電容電壓的高頻給定。高頻給定信號(hào)與相應(yīng)的反饋信號(hào)的絕對值之差進(jìn)行比例或比例積分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行正負(fù)限幅比較來得到功率管的驅(qū)動(dòng)控制要求，再經(jīng)過固有諧振頻率fr的倍頻方波的同步調(diào)整，與頻率為fr、占空比為50％的方波作脈寬調(diào)整后，可得到相應(yīng)功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)為頻率為fr、占空比為50％的方波。
采用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制時(shí)，利用高速數(shù)字處理器DSP實(shí)現(xiàn)智能控制策略下的外環(huán)調(diào)節(jié)，輸出引入復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD或現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA，與可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM內(nèi)存儲(chǔ)的頻率為fr的等幅正弦波在CPLD或FPGA中相乘后取絕對值作為諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的給定；采用高速A/D檢測相應(yīng)的反饋信號(hào)輸入CPLD或FPGA；其余絕對值邏輯、比例積分調(diào)節(jié)、正負(fù)限幅比較、同步調(diào)整及邏輯合成均由CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)，并得到相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是通過簡單的線性乘法處理，得到諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的高頻給定，并與相應(yīng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比例或比例積分調(diào)節(jié)就能夠確保相應(yīng)高頻信號(hào)的實(shí)時(shí)跟隨；實(shí)現(xiàn)輸出功率的全程大范圍控制和調(diào)節(jié)；所有功率管均可工作在定頻、定寬、零電流或零電壓開關(guān)狀態(tài)；通過諧振電感電流或者諧振電容電壓的高頻給定瞬時(shí)值的限幅，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過載和短路狀態(tài)下的輸出限流自保護(hù)功能。


下面結(jié)合附圖和和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的控制原理框圖；圖2是本發(fā)明的模擬器件實(shí)現(xiàn)控制的電氣連接圖；圖3是本發(fā)明的采用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)控制的工作原理圖。
在圖2中，1、頻率為fr的等幅正弦波，2、外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出，3、諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的高頻給定，4、諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的絕對值反饋，5、誤差正限幅，6、誤差負(fù)限幅，7、固有諧振頻率fr的倍頻方波，8、頻率為fr、占空比50％的方波，9、8的取反信號(hào)，10、相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，U1、高速乘法器，U2、U3、U4、U5、高速運(yùn)算放大器，U6、比較器，U7、D觸發(fā)器，U8、與邏輯門，D、二極管，R、電阻，RV、滑線變阻器。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的控制原理框圖為串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制的實(shí)施例，功率管的開關(guān)頻率為固有諧振頻率fr。采用頻率為fr的等幅正弦波1作為載波，而將外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出2作為調(diào)制波(以正弦波逆變電源為例，輸出電壓瞬時(shí)值閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為調(diào)制波)，采用高頻乘法器實(shí)現(xiàn)載波和調(diào)制波的線性相乘，乘法器輸出取絕對值后作為諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的高頻給定3。高頻給定信號(hào)與諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的絕對值反饋4進(jìn)行比例或比例積分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出分別與誤差正限幅5和誤差負(fù)限幅6進(jìn)行比較來得到相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)要求，再經(jīng)過固有諧振頻率fr的倍頻方波7的同步調(diào)整，與頻率為fr、占空比為50％的方波8及8的取反信號(hào)9作脈寬調(diào)整后，可得到相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)10，并保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)為頻率為fr、占空比為50％的方波。
圖2為圖1具體的模擬器件實(shí)現(xiàn)控制的電氣連接圖。在圖2中，頻率為fr的等幅正弦波1和外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出2作為乘法器U1的輸入，乘法器U1的輸出經(jīng)過高速運(yùn)算放大器U2的差分放大，再由高速運(yùn)算放大器U3、U4作絕對值，得到諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的高頻給定3，和諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的絕對值反饋4經(jīng)過高速運(yùn)算放大器U5做比例或比例積分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的輸出和誤差正限幅5及誤差負(fù)限幅6作雙限幅比較，比較器U6的輸出由D觸發(fā)器U7實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整，D觸發(fā)器U7采用的時(shí)鐘脈沖為固有諧振頻率fr的倍頻方波7，同步調(diào)整后的信號(hào)與頻率為fr、占空比50％的方波8及8的反信號(hào)9作邏輯與合成，得到諧振為fr、占空比為50％的相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)10。
在實(shí)施例中采用的各集成芯片及其相應(yīng)的功能如下高速乘法器U1采用MC1495或MC1494，實(shí)現(xiàn)頻率為fr的等幅正弦波與外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的線性相乘；高速運(yùn)算放大器U2、U3、U4、U5、均采用LF356N；比較器U6采用LM339，實(shí)現(xiàn)誤差輸出和正、負(fù)限幅的比較；D觸發(fā)器U7采用CD4013，作比較器輸出的同步調(diào)整；與邏輯門U8采用CD4081，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的邏輯與合成，得到相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在圖2中采用的固有諧振頻率fr的倍頻方波7、頻率為fr、占空比50％的方波8及8的反信號(hào)9應(yīng)確保有同一上升或下降邊沿。
在圖3所示的采用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)控制的實(shí)施例中，采用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP自帶A/D實(shí)現(xiàn)輸出電壓反饋采樣，并采用智能控制手段實(shí)現(xiàn)輸出電壓的外環(huán)調(diào)節(jié)；采用可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM存儲(chǔ)頻率為fr的等幅正弦波1；利用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD或現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA實(shí)現(xiàn)DSP外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出2與EPROM存儲(chǔ)的頻率為fr的等幅正弦波1的線性乘法，并由CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)高速A/D檢測的諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值反饋的絕對值邏輯、比例積分調(diào)節(jié)、正負(fù)限幅比較、同步調(diào)整及邏輯合成，最后輸出相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)10。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制方法，根據(jù)外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)諧振電感電流或諧振電容電壓瞬時(shí)值的大小，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制，其特征是a、由頻率為fr的等幅正弦波與外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出線性相乘并取絕對值，得到諧振電感電流或諧振電容電壓瞬時(shí)值的直接控制信號(hào)的給定；b、高頻瞬時(shí)值給定信號(hào)與相應(yīng)的反饋信號(hào)瞬時(shí)值絕對值之差的比例或比例積分調(diào)節(jié)來保證相應(yīng)高頻信號(hào)的實(shí)時(shí)跟隨；c、比例或比例積分調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過誤差正負(fù)限幅比較得到相應(yīng)功率管的控制要求；d、經(jīng)過固有諧振頻率fr的倍頻方波的同步調(diào)整，及頻率為fr、占空比為50％的方波的脈寬調(diào)整，得到相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)為頻率為fr、占空比為50％的方波；e、諧振電感電流或諧振電容電壓瞬時(shí)值的給定限幅能由控制自身實(shí)現(xiàn)過載甚至短路狀態(tài)下的輸出自限流保護(hù)功能。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制方法，其特征是a、由DSP實(shí)現(xiàn)的外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出引入復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD或現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA，與可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM內(nèi)存儲(chǔ)的頻率為fr的等幅正弦波在CPLD或FPGA中相乘后取絕對值作為諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的給定；b、采用高速A/D檢測相應(yīng)的反饋信號(hào)輸入CPLD或FPGA；c、其余絕對值邏輯、比例積分調(diào)節(jié)、正負(fù)限幅比較、同步調(diào)整及邏輯合成均由CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)，并得到相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
3.一種用于權(quán)利要求1所述的采用模擬信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制方法，其特征是a、頻率為fr的等幅正弦波(1)和外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出(2)作為乘法器(U1)的輸入；b、乘法器(U1)的輸出經(jīng)過高速運(yùn)算放大器(U2)的差分放大，再由高速運(yùn)算放大器(U3、U4)作絕對值，得到諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的高頻給定(3)；c、諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的高頻給定(3)和諧振電感電流或者諧振電容電壓瞬時(shí)值的絕對值反饋(4)經(jīng)過高速運(yùn)算放大器(U5)做比例或比例積分調(diào)節(jié)；d、調(diào)節(jié)器的輸出和誤差正限幅(5)及誤差負(fù)限幅(6)作雙限幅比較，比較器(U6)的輸出由D觸發(fā)器(U7)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整，D觸發(fā)器(U7)采用的時(shí)鐘脈沖為固有諧振頻率fr的倍頻方波(7)，同步調(diào)整后的信號(hào)與頻率為fr、占空比50％的方波(8)及8的反信號(hào)(9)作邏輯與合成，得到諧振為fr、占空比為50％的相應(yīng)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制方法，其特征是高速乘法器(U1)采用MC1495或MC1494；高速運(yùn)算放大器(U2、U3、U4、U5、)采用LF356N；比較器(U6)采用LM339；D觸發(fā)器(U7)采用CD4013與邏輯門(U8)采用CD4081。
全文摘要
一種串聯(lián)(并聯(lián))諧振環(huán)能量瞬時(shí)值直接控制方法，采用頻率為f
文檔編號(hào)H02M3/00GK1588771SQ20041005531
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月14日
發(fā)明者鄔偉揚(yáng), 金曉毅, 孫孝鋒 申請人:燕山大學(xué)