基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采樣保持控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，具體講是一種基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，屬于電流調(diào)制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮軸承(簡(jiǎn)稱(chēng)磁軸承)利用可控電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子各自由度的位移進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的懸浮定位，因而具有低摩擦、低損耗、高轉(zhuǎn)速、無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)。在磁軸承的控制系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)型功率放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)功放)的作用就是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈中具有驅(qū)動(dòng)能力的電流信號(hào)，在磁軸承控制系統(tǒng)中屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，起著關(guān)鍵作用。除磁軸承鐵心外，磁軸承系統(tǒng)的主要損耗由開(kāi)關(guān)功放產(chǎn)生，其引入電流振蕩的固有特點(diǎn)是引起損耗的主要原因，因此降低電流振蕩是磁軸承開(kāi)關(guān)功放設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0003]經(jīng)研宄發(fā)現(xiàn)，電流三態(tài)調(diào)制技術(shù)能夠很好地滿(mǎn)足磁軸承系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)功放的要求，其中包括有三態(tài)脈寬調(diào)制(PWM)、三態(tài)滯環(huán)比較、三態(tài)采樣保持等諸多控制策略。采用采樣保持策略的開(kāi)關(guān)功放具有控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、頻帶寬、受負(fù)載影響小等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地適用于磁軸承控制系統(tǒng)。當(dāng)然，由于采樣保持控制策略為電流調(diào)制的一種方式，因此也可以廣泛應(yīng)用在諸多電流調(diào)制的電力電子功率變換器中。
[0004]三態(tài)調(diào)制的采樣保持控制策略是一種逐周期調(diào)整的控制方法，目的在于控制實(shí)際電流實(shí)時(shí)跟蹤給定信號(hào)，其原理是:在每個(gè)采樣時(shí)鐘的上升沿，采樣保持器檢測(cè)電流跟蹤誤差的極性，觸發(fā)相應(yīng)的功率器件，此時(shí)開(kāi)關(guān)功放處于儲(chǔ)能狀態(tài)(充電)或能量回饋狀態(tài)(放電)來(lái)跟蹤給定信號(hào)，這種狀態(tài)一直持續(xù)到下一個(gè)誤差極性信號(hào)跳變的產(chǎn)生或本周期的結(jié)束；若在同一個(gè)周期內(nèi)誤差極性已經(jīng)跳變，則開(kāi)關(guān)功放切換到能量續(xù)流狀態(tài)。以往，實(shí)現(xiàn)該調(diào)制過(guò)程的方法是通過(guò)兩級(jí)D觸發(fā)器以及組合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，雖然大量的實(shí)踐證明了該方法的有效性，但是由于時(shí)序邏輯與組合邏輯相結(jié)合的電路復(fù)雜性，使得電路工作原理不易理解；且在此基礎(chǔ)上若想對(duì)調(diào)制方式進(jìn)行改進(jìn)或?qū)﹄娐饭δ苓M(jìn)行增加與完善，則變得極為復(fù)雜，甚至可能需要推翻原有的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這將大大增加控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，可擴(kuò)展性強(qiáng)的基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
1)確定基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略的各工作狀態(tài)，所述工作狀態(tài)包括正、反向的充電、續(xù)流和放電；
2)依據(jù)采樣保持控制策略的原理，確定各工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換順序與轉(zhuǎn)換條件；
3)根據(jù)步驟2)確定的各工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換順序及條件，確定有限狀態(tài)機(jī)的輸入和輸出信號(hào)；
4)仿真驗(yàn)證分析有限狀態(tài)機(jī)各工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序和時(shí)機(jī)是否與設(shè)定相符；若相符則進(jìn)行下一步，若不符則重復(fù)執(zhí)行步驟I)至步驟4)進(jìn)行修正；
5)依據(jù)步驟4)驗(yàn)證后的有限狀態(tài)機(jī)的輸入和輸出信號(hào)設(shè)計(jì)硬件電路。
[0007]上述步驟2)的具體過(guò)程為:
2.1)在時(shí)鐘周期上升沿，若電流誤差信號(hào)大于0，根據(jù)給定電流的極性信號(hào)判斷充電或放電，即給定電流為正向電流時(shí)，電流誤差為正即充電，為負(fù)即放電；給定電流為反向電流時(shí)，電流誤差為正即放電，為負(fù)即充電；所述電流誤差等于給定電流減反饋電流；
2.2)在本時(shí)鐘周期內(nèi)，若電流誤差信號(hào)發(fā)生變化，則充電/放電轉(zhuǎn)為續(xù)流狀態(tài)；
2.3)在下一個(gè)時(shí)鐘周期上升沿，繼續(xù)依據(jù)2.1)選擇充、放電狀態(tài)；以此在充電、續(xù)流、放電三者之間相互轉(zhuǎn)換；
2.4)若給定電流的極性發(fā)生變化，則在正向放電至反向充電或者反向放電至正向充電間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。
[0008]作為優(yōu)選，若在續(xù)流過(guò)程中電流誤差信號(hào)發(fā)生再翻轉(zhuǎn)，則繼續(xù)保持續(xù)流至本時(shí)鐘周期結(jié)束。
[0009]作為優(yōu)選，所述工作狀態(tài)還包括復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)過(guò)流或過(guò)壓時(shí)由其他工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換至復(fù)位狀態(tài)。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:(1)由于有限狀態(tài)機(jī)的形式與采樣保持控制策略的原理更為相近，因此更易理解、易于實(shí)現(xiàn)和修正，控制更加便捷；(2)若要對(duì)調(diào)制方式、電路功能等進(jìn)行增加與完善，可以在原有有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上修改狀態(tài)或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件即可，其拓展性能強(qiáng)，無(wú)需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，大大降低成本，提高了實(shí)現(xiàn)效率；(3)實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)所用的FPGA芯片可以同時(shí)為控制系統(tǒng)提供邏輯運(yùn)算、并行處理等輔助功能。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ] 圖1為實(shí)施例中永磁偏置磁軸承全橋式開(kāi)關(guān)功放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
圖2為三態(tài)采樣保持控制策略工作情形I主要波形；
圖3為三態(tài)采樣保持控制策略工作情形2主要波形；
圖4為三態(tài)采樣保持控制策略各開(kāi)關(guān)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換順序；
圖5為改進(jìn)型三態(tài)采樣保持控制策略工作情形的主要波形；
圖6為改進(jìn)型三態(tài)采樣保持控制策略有限狀態(tài)機(jī)；
圖7為具有保護(hù)功能的三態(tài)采樣保持控制策略有限狀態(tài)機(jī)；
圖8為基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制的功率變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖9為基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略仿真波形；
圖10為基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略實(shí)驗(yàn)波形；
圖11為基于有限狀態(tài)機(jī)的采樣保持控制策略實(shí)驗(yàn)波形局部圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0013]現(xiàn)以適用于永磁偏置磁懸浮軸承的開(kāi)關(guān)功放為例，將本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。此外，由于采樣保持控制策略是電力電子功率變換器進(jìn)行電流調(diào)制的一種方式，因此本實(shí)施例中所闡述的實(shí)施步驟能夠廣泛適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合下的多種功率變換器。
[0014]對(duì)于永磁偏置磁懸浮軸承而言，其要求感性的線(xiàn)圈能夠流過(guò)雙極性電流，因此多用圖1所示的全橋式開(kāi)關(guān)功放作為功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有4個(gè)開(kāi)關(guān)管，因而狀態(tài)較多。磁軸承開(kāi)關(guān)功放的作用在于，使線(xiàn)圈中的實(shí)際電流實(shí)時(shí)地跟蹤給定電流，以提供所希望產(chǎn)生的懸浮力。那么，依據(jù)采樣保持控制策略的原理:“在每個(gè)采樣時(shí)鐘的上升沿，采樣保持器檢測(cè)電流跟蹤誤差的極性，觸發(fā)相應(yīng)的功率器件，此時(shí)開(kāi)關(guān)功放處于儲(chǔ)能狀態(tài)或能量回饋狀態(tài)來(lái)跟蹤給定信號(hào)，這種狀態(tài)一直持續(xù)到下一個(gè)誤差極性信號(hào)跳變的產(chǎn)生或本周期的結(jié)束；若在同一個(gè)周期內(nèi)誤差極性已經(jīng)跳變，則開(kāi)關(guān)功放切換到能量續(xù)流狀態(tài)?！币虼?，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟:
步驟一、確定有限狀態(tài)機(jī)的各狀態(tài)
從物理意義上劃分，負(fù)載線(xiàn)圈中有3種工作狀態(tài):充電、放電和續(xù)流。而考慮到線(xiàn)圈中電流流向的雙極性，需要細(xì)分這3種工作狀態(tài)。例如:定義圖1中線(xiàn)圈處箭頭方向?yàn)檎较?，那么電流為正向流?dòng)時(shí)，充電狀態(tài)需要Q1、Q4管導(dǎo)通；而電流為反向流動(dòng)時(shí)的充電狀態(tài)是Q2、Q3管導(dǎo)通。因此，工作狀態(tài)需要細(xì)分為以下6種:正向充電1001，正向續(xù)流0001，正向放電0000，反向充電0110，反向續(xù)流0100，反向放電0000。其中4位序列的數(shù)字代表Ql至Q4開(kāi)關(guān)管，其中I代表導(dǎo)通，O代表關(guān)斷。
[0015]步驟二、確定有限狀態(tài)機(jī)的各狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序及轉(zhuǎn)換條件
要依據(jù)采樣保持控制策略的原理，明確在何種條件下功率變換器應(yīng)處于何種工作狀態(tài)。定義給定電流為SET，其極性信號(hào)為ORI，反饋電流為FED，電流誤差(SET減FED)極性信號(hào)為ERR，時(shí)鐘為elk。
[0016]先以給定為正向電流為例，進(jìn)行分析。由控制策略原理，可以得到給定電流為正時(shí)的主要波形，如圖2所示，這里為了標(biāo)示清楚，ERR的變化有較大滯后，但在實(shí)際電路中的滯后較小。具體分析如下:在elk上升沿，若SET大于FED，即ERR大于0，則線(xiàn)圈需要充電；充電過(guò)程中，在同一 elk周期內(nèi)，若誤差極性ERR發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則線(xiàn)圈進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)；若在續(xù)流過(guò)程中ERR始終小于0，并等到了 elk下一周期的上升沿，那么此時(shí)需線(xiàn)圈放電；此后，在elk同周期內(nèi)，若ERR翻轉(zhuǎn)為大于0，則再次續(xù)流；等到elk下一周期的上升沿，線(xiàn)圈充電。由此往復(fù)，在充電、續(xù)流、放電三個(gè)狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，由圖2中?皮形圖可見(jiàn)，實(shí)際電流即可隨時(shí)跟蹤給定。
[0017]在給定為反向電流時(shí)，由控制策略原理，可以得到給定電流為負(fù)時(shí)的主要波形，如圖3所示。具體分析如下:在elk上升沿，若SET大于FED，即ERR大于0，則線(xiàn)圈需要放電；放電過(guò)程中，在同一 elk周期內(nèi)，若誤差極性ERR翻轉(zhuǎn)，則線(xiàn)圈進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)；若在續(xù)流過(guò)程中ERR始終小于0，并等到了 elk下一周期的上升沿，那么此時(shí)需線(xiàn)圈充電；此后，在elk同周期內(nèi)，若ERR翻轉(zhuǎn)為大于0，則再次續(xù)流；等到elk下一周期的上升沿，線(xiàn)圈放電。由此往復(fù)，在充電、續(xù)流、放電三個(gè)狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，由圖3中?皮形圖可見(jiàn)，實(shí)際電流即可隨時(shí)跟蹤給定。
[0018]此外，如果在給定電流SET為正的前提下變?yōu)榻o定電流SET為負(fù)，