專利名稱：在可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中以可控頻率控制開關(guān)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脈沖調(diào)制領(lǐng)域。較明確地說，本發(fā)明涉及開關(guān)控制的脈沖頻率和寬度的控制，特別是功率(電源)開關(guān)控制的脈沖頻率和寬度的控制，本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｉT是可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)(滯后控制，直接力矩控制(英語中為DTC“Direct Torque Control”))以及脈沖寬度和/或頻率的調(diào)制(MLI)。
現(xiàn)代的電力裝置主要由

圖1所示的4個(gè)功能模塊組成。
電源11可以是直流的、單相交流的、或三組交流的。電源(功率)變換器12的功能是確保使電源能適配于負(fù)載13正常工作所需的供電類型-把恒定的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和振幅可變的單相交流電源；-把三相交流電源轉(zhuǎn)換幅度可變的直流電源；-等等。
這種電源類型轉(zhuǎn)換管理由控制模塊14實(shí)行。該模塊一般有兩個(gè)功能-一種或多種負(fù)載量的伺服(或調(diào)節(jié))-把調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換成電源開關(guān)的控制信號(hào)。
相對(duì)于普通的控制系統(tǒng)來說，可變結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)使用日益增多。這一技術(shù)也叫做“滑動(dòng)模式控制”或“直接力矩控制”(英語中為DTC“Direct Torque Control”)。
可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)可以分為兩大類，分別如圖2和3所示。
圖2示出利用狀態(tài)反作用轉(zhuǎn)換來進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變的情況。電力系統(tǒng)21接收來自一個(gè)放大器22的電壓，而該放大器的輸入電壓(命令電壓)是根據(jù)在轉(zhuǎn)換規(guī)則S(x)25控制之下的轉(zhuǎn)換開關(guān)24的作用，從兩個(gè)模塊K1和K2(231和232)的輸出中選出的一個(gè)輸出。
另一方面，圖3示出的是由轉(zhuǎn)換放大器(電源轉(zhuǎn)換器)的電平來進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變的情況。其中轉(zhuǎn)換規(guī)則S(x)控制轉(zhuǎn)換器31，使其提供所選出的電壓Emax或Emin。
轉(zhuǎn)換規(guī)則S(x)是從命令與系統(tǒng)的狀態(tài)變化之間的關(guān)系出發(fā)來推導(dǎo)出的，以便保證穩(wěn)定性、堅(jiān)固性、和命令的連續(xù)性，并設(shè)定U＝Emax若S(x)＞0U＝Emin若S(x)＜0。
這種控制的優(yōu)點(diǎn)是有非?？焖俚膭?dòng)態(tài)性能和對(duì)各種參數(shù)變化的非常好的平移性。轉(zhuǎn)換可能達(dá)到非常高(理論上無限高)的頻率，使系統(tǒng)工作于滑動(dòng)模式。
在目前的實(shí)踐中這一方面是一個(gè)主要的困難。實(shí)際上，對(duì)于向電力系統(tǒng)供電的靜態(tài)轉(zhuǎn)換器12的開關(guān)的這種控制還沒有相應(yīng)的頻率控制。在某些情況下這樣的頻率可能對(duì)靜態(tài)轉(zhuǎn)換器是有害的。
這一問題是眾所周知的。已經(jīng)對(duì)此提出了許多解決方法。
-用滯后替代調(diào)節(jié)器的輸出繼電器，其中滯后的帶寬根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)來計(jì)算，根據(jù)工作點(diǎn)把滯后帶寬與控制系統(tǒng)結(jié)合起來；-增添一個(gè)輔助估計(jì)器和一個(gè)轉(zhuǎn)換頻率調(diào)節(jié)器。這個(gè)“頻率控制器”的參數(shù)是根據(jù)被控制系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算的；-把“可變結(jié)構(gòu)”的調(diào)節(jié)器分解成兩個(gè)子調(diào)節(jié)器一個(gè)根據(jù)能使被控制系統(tǒng)的模型線性化導(dǎo)出，另一個(gè)是基本調(diào)節(jié)器的圖象結(jié)構(gòu)。它使動(dòng)態(tài)過程閉環(huán)并具有對(duì)弱變化參數(shù)的穩(wěn)固性。
此外，對(duì)于調(diào)節(jié)三相交流電機(jī)電流的情況，存在著兩種典型的方法，即MLI(脈寬調(diào)制)控制和滯后控制。
電源是直流電壓型的(即與交流電壓型不同，其電壓平均值不為零)，負(fù)載是三相同步或異步電機(jī)，而電源轉(zhuǎn)換器是一個(gè)三相電壓交流器(把一個(gè)恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率和振幅可變的三個(gè)交流電壓)?？刂颇K應(yīng)使電機(jī)的電流跟隨于三個(gè)交流參考電流，例如正弦形電流。
MLI控制原理如圖4所示。
參考電流41與測(cè)量電流42之間的誤差被一個(gè)校正器43處理。電源開關(guān)44和45的控制由可對(duì)調(diào)節(jié)器43的輸出與一個(gè)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于參考電流頻率(40至100倍甚至更多)的三角形信號(hào)47進(jìn)行的比較46得到的。
這種類型的控制可保證電源開關(guān)以恒定頻率(調(diào)制三角形信號(hào)的頻率)轉(zhuǎn)換，但電流的波動(dòng)則與負(fù)載參數(shù)和工作點(diǎn)有關(guān)，不受到控制。一般，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)基于保證線性控制，這將在線性傳遞函數(shù)中引入一個(gè)固有的相移，所以它至少要用到一個(gè)復(fù)雜的校正器，其中需要一個(gè)功能足夠強(qiáng)的處理器或一個(gè)十分復(fù)雜的模擬電路板。
在所有這些情形中，控制的質(zhì)量都與系統(tǒng)模型參數(shù)的確定精度直接相關(guān)。
第二種方法用來使控制的性能對(duì)于電流的各種頻率不敏感，該方法通過插入一個(gè)非線性變換(稱作派克(Park)變換)矩陣來實(shí)現(xiàn)基底的改變，從而把交流成份量改變成新基底中的直流(恒定)成份。在該基底中電流是直流的，而校正器是按照能保證在零頻下有良好性能來設(shè)計(jì)的。
這種方法可免除電流調(diào)節(jié)器合成時(shí)參考電流的頻率變化問題，但對(duì)系統(tǒng)模型參數(shù)的敏感性仍與前一種方法相同。
滯后控制的原理如圖5所示。它利用三個(gè)帶滯后的比較器51(對(duì)于三相系統(tǒng)情形)把電機(jī)中的實(shí)際電流保持在一個(gè)中心位于參考電流上的設(shè)定帶寬之內(nèi)。
這樣雖然控制了電流波動(dòng)，但轉(zhuǎn)換的頻率卻是不受控的和變化的，它主要取決于所設(shè)定的帶寬和被控系統(tǒng)(本情形中為電機(jī))的時(shí)間常數(shù)。這個(gè)方法有如下優(yōu)點(diǎn)-一個(gè)簡(jiǎn)單的具有滯后性的比較器51就可以控制電流并產(chǎn)生對(duì)電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制。
-控制是非線性的，從而有可能給出接近于零的相移和使參考電流與實(shí)際電流之間的增益誤差最小化；-控制性能不太敏感于系統(tǒng)模型的參數(shù)。
作為代價(jià)，該方法也有一些不利之處，尤其是控制信號(hào)44和45對(duì)電源開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率的控制不良-在電源轉(zhuǎn)換器這一級(jí)上有十分大的轉(zhuǎn)換限制(發(fā)熱、轉(zhuǎn)換不良，…)；-轉(zhuǎn)換頻率的變化可能是產(chǎn)生刺耳噪聲的根源。
所以，這些已知技術(shù)中沒有一種是令人滿意的。事實(shí)上，它們完全取決于被控系統(tǒng)的參數(shù)，所以肯定會(huì)損害可變結(jié)構(gòu)控制所應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)，從普遍性來說則更是如此。
此外，它們常常是昂貴的。它們需使用復(fù)雜的電子裝置，甚至需要十分快速的處理器。
于是，本發(fā)明的明顯目的是緩解當(dāng)前技術(shù)的這些困難。
較準(zhǔn)確地說，本發(fā)明的目的是為可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的靜態(tài)轉(zhuǎn)換器提供一種轉(zhuǎn)換控制技術(shù)，該技術(shù)將非常不敏感于被控系統(tǒng)參數(shù)的變化，甚至實(shí)際上在一級(jí)近似下與參數(shù)變化無關(guān)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種實(shí)施簡(jiǎn)單且較價(jià)廉的技術(shù)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種能實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于集成電路的技術(shù)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種技術(shù)，它能兼容于所有類型的系統(tǒng)，特別是既能工作于各種單相系統(tǒng)也能工作于各種多相系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，上述這些目的和下面將看到的另外一些目的都是借助于對(duì)可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的接通時(shí)間和周期的控制方法來達(dá)到的，這種類型的系統(tǒng)包括至少一個(gè)能提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電力系統(tǒng)的給定電信號(hào)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中的電信號(hào)取決于一個(gè)考慮了參考輸入信號(hào)的控制信號(hào)和一個(gè)從上述電力系統(tǒng)輸出中采樣的反饋信號(hào)，根據(jù)該方法，在上述控制信號(hào)上加上一個(gè)頻率可控的振蕩，該振蕩是通過給上述反饋信號(hào)加以濾波而得到的，上述濾波要求在反饋和濾波的信號(hào)與電力系統(tǒng)的輸入信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入一個(gè)-180°的相移。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明將對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制。于是可以證明，該反饋路徑保證了兩個(gè)功能的結(jié)合伺服功能和振蕩功能，前者是因?yàn)榭刂菩盘?hào)跟隨了參考輸入信號(hào)，后者能把轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換限制在一個(gè)給定的最大頻率之內(nèi)。
應(yīng)該指出，這個(gè)方法對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的人們來說完全是一個(gè)新方法，或者更確切地說，是與人們的偏見相反的。事實(shí)上，控制專家們總是在這種系統(tǒng)中追求避免發(fā)生振蕩，他們認(rèn)為振蕩與不穩(wěn)定是同義詞。
本發(fā)明同樣還涉及至少含有一個(gè)實(shí)施這種方法的電源轉(zhuǎn)換器的控制裝置。于是這種裝置將包括對(duì)上述控制信號(hào)施加一個(gè)頻率可控的振蕩的裝置，該振蕩是通過對(duì)上述反饋信號(hào)進(jìn)行一個(gè)濾波而得到的，上述濾波要求在反饋和濾波的信號(hào)與上述電力系統(tǒng)的輸入信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入-180°的相移。
這一結(jié)果是借助于一個(gè)設(shè)置在放大裝置的輸出與輸入端之間的一個(gè)功能件來獲得的。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，該功能件可以借助于一個(gè)其固有頻率接近于上述可控頻率的模擬電子濾波器得到。
根據(jù)實(shí)施方式和應(yīng)用情況，上述可控頻率可以是幾乎恒定的或可調(diào)節(jié)的。對(duì)于后者，上述濾波裝置例如可以是一個(gè)帶有可轉(zhuǎn)換容量的濾波器。
此外，本發(fā)明裝置既適用于單相系統(tǒng)，也適用于多相系統(tǒng)。
對(duì)于多相系統(tǒng)的情況，該裝置最好對(duì)每一相都包括-一個(gè)反饋信號(hào)濾波器，該濾波器能對(duì)上述可控頻率在反饋和濾波信號(hào)與電力系統(tǒng)輸入信號(hào)之間引入-180°的相移，以及-一個(gè)低通與高通相結(jié)合的濾波器，其中低通濾波器把上述控制信號(hào)輸送給一個(gè)第一比較器，高通濾波器把上述控制信號(hào)輸送給一個(gè)第二比較器。
本發(fā)明裝置可以用模擬裝置實(shí)現(xiàn)，這樣可得到十分快速和比較價(jià)廉的裝置。
特別是對(duì)于多相系統(tǒng)情形，它也可以用模擬裝置和數(shù)字處理裝置實(shí)現(xiàn)。同樣，它也可以得到比采用完全數(shù)字化的已知系統(tǒng)更高的性能。
本發(fā)明裝置最好植入在一個(gè)集成電路中。由于實(shí)施本發(fā)明比較簡(jiǎn)單，所以這是可能的。也可以制作成單個(gè)的，可在十分廣泛的領(lǐng)域中找到應(yīng)用的部件。
應(yīng)該指出，與各種已知的技術(shù)不同，本發(fā)明的方法裝置，和系統(tǒng)并沒有要求精確已知待供電負(fù)載的參數(shù)。換言之，本發(fā)明的方法最多只需要知道被控系統(tǒng)的一級(jí)近似數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明當(dāng)然還涉及應(yīng)用這種裝置的可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。
通過下面結(jié)合附圖對(duì)一個(gè)作為簡(jiǎn)單的說明性而非限制性的例子的本發(fā)明的實(shí)施方式的說明，本發(fā)明的另外的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更為清楚，在附圖中-已經(jīng)提及的圖1至5是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的·圖1示意性地說明一個(gè)能應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)；·圖2和3是控制一個(gè)可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的兩種已知的實(shí)施方式，分別對(duì)應(yīng)于通過轉(zhuǎn)換一個(gè)反向作用狀態(tài)或轉(zhuǎn)換放大器的電平來進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變的情況；·圖4示出已知的利用脈寬調(diào)制的控制原理；·圖5示出同樣是已知的滯后控制原理；-以下各圖涉及本發(fā)明及其實(shí)施方式·圖6A和6B示意性地示出兩種可能布局下的本發(fā)明一般原理；·圖7說明圖6系統(tǒng)的詳細(xì)理論結(jié)構(gòu)；·圖8示出用于研究系統(tǒng)的線性部分的模型；·圖9至12是圖8模型的增益和相位的BODE曲線；·圖13是本發(fā)明的完整系統(tǒng)；·圖14示出利用圖13系統(tǒng)獲得的信號(hào)；
·圖15是圖14的局部放大圖；·圖16示出實(shí)施本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)例子；·圖17示出在圖16系統(tǒng)上記錄的信號(hào)；·圖18示出圖16系統(tǒng)的負(fù)載中的電流頻譜；·圖19示出分析調(diào)制器起動(dòng)的仿真模型；·圖20和21示出用圖19模型得到的信號(hào)；·圖22示出調(diào)制器在一個(gè)直流電機(jī)的控制模型中的應(yīng)用情況；·圖23示出在圖22情況中記錄的電流；·圖24是為三相負(fù)載設(shè)計(jì)的一種本發(fā)明實(shí)施方式；·圖25和26示出圖24情況中得到的電流；·圖27示出在多相負(fù)載情況下對(duì)其中一相的另一種實(shí)施方式。
本發(fā)明的原理用6A和6B說明本發(fā)明的一般原理。待供電負(fù)載61典型地從一個(gè)放大器62接收功率，后者的電源開關(guān)由誤差信號(hào)63控制。
如前所述，本發(fā)明的新穎性主要在于誤差信號(hào)63的產(chǎn)生。換言之，本發(fā)明提出了一種具有許多優(yōu)點(diǎn)的脈沖調(diào)制新技術(shù)。
在圖6A情形中，信號(hào)63實(shí)際上是由通過在反饋路徑上插入一個(gè)濾波器64所產(chǎn)生的一個(gè)振蕩來獲得的。于是信號(hào)63是參考信號(hào)65與濾波信號(hào)66之間的差值。
在圖6B情形中，濾波器64設(shè)置在放大器62的前面。
這樣，就以與負(fù)載61的特性無關(guān)的方式得到了一個(gè)在濾波器64固有頻率附近調(diào)制的誤差信號(hào)。
圖7示出一個(gè)采用了圖6所示原理的系統(tǒng)詳細(xì)理論結(jié)構(gòu)。它構(gòu)成了這樣一個(gè)調(diào)制器，它能根據(jù)一個(gè)作為希望在電負(fù)載71中產(chǎn)生的電流圖象的參考信號(hào)72，去控制該負(fù)載71中的低頻強(qiáng)電流。
它是在一個(gè)控制系統(tǒng)的模型上構(gòu)筑的，所以有一個(gè)前向路徑和一個(gè)反饋路徑。這樣，其輸入信號(hào)是參考電源72，而輸出信號(hào)是流過負(fù)載71的強(qiáng)電流73。
前向路徑自左至右的組成是傳遞功能件RT74，非線性電源電壓放大器75和功能性F171。
反饋路徑自右至左的組成是傳遞功能件RT76和功能件F2 77，它們聯(lián)合起來實(shí)際上起兩個(gè)作用，對(duì)此后面將有說明。
RT74的傳遞函數(shù)是一個(gè)正的、實(shí)數(shù)項(xiàng)轉(zhuǎn)移阻抗。
功能件F171代表電負(fù)載，在一級(jí)近擬下它可在數(shù)學(xué)上表示一個(gè)一次低通型的傳遞函數(shù)。它在甚低頻率情況下不引入相移。實(shí)際上它的截止頻率為幾百赫茲。
功能件F2代表二次型低通濾波器。它在十分低的頻率上不引入相移。它的固有頻率大于幾千赫茲。
輸入信號(hào)72和輸出信號(hào)73各自連接到一個(gè)轉(zhuǎn)移阻抗RT上，比較器78的兩個(gè)輸入基本上有相同的電壓。
放大器75是屬于非線性型的。它接收一個(gè)其物理性質(zhì)為電壓的信號(hào)。其輸出端提供的是一個(gè)取決于輸入電壓的正負(fù)號(hào)電壓。
比較器78處在輸入74傳遞功能件RT與放大器75之間，它起兩個(gè)作用，即誤差探測(cè)器和移相器的作用。后面將對(duì)這兩個(gè)作用進(jìn)行說明。
出現(xiàn)在比較器負(fù)輸入端，比較器輸出端。和放大器輸入端的信號(hào)將依次分別用Xr、Xer和Xe表示，其中的下標(biāo)分別代表“反饋”、“誤差”和“輸入”。
2.2調(diào)制器的工作原理反饋路徑用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電子功能。
首先，反饋路徑實(shí)現(xiàn)輸出73對(duì)比較器78的Xr輸入的反向作用。它使輸出73上能得到比較器正輸入端信號(hào)的一個(gè)圖像信號(hào)，其中比較器正輸入端的信號(hào)以比例系數(shù)RT正比于調(diào)制器的輸入信號(hào)72。
在此情形下，比較器78在其負(fù)輸入端上得到的是一個(gè)始終趨向于其正輸入端上所加信號(hào)(所謂參考信號(hào))的信號(hào)。
連接在反饋路徑中的器使得輸出電流根據(jù)輸入電流受到控制。
其次，對(duì)于一個(gè)特定的頻率，反饋路徑將在放大器75的輸出與器78的負(fù)輸入Xr之間引入-180°的相位變化。當(dāng)然，這個(gè)相位變化與濾波器F277有關(guān)并受后者強(qiáng)烈的影響。
放大器75的輸出端與輸入端之間的相移是模為360°的0°。
圖8所示的模型用來獲得由濾波器F171、F277、RT76、和比較器(增益-1)81所造成的相移和衰減效果這個(gè)模型可以畫出電路在沒有放大器75時(shí)的增益和相位的BODE(預(yù)測(cè))曲線(圖9至12)。作為舉例，這里所取的基本數(shù)據(jù)如下R＝4.23ΩRT＝1.35ν/Aξ＝ksi＝0.707事實(shí)上，為了判斷濾波器F2對(duì)相移量是模為360°的0°的特定頻率的作用，可以考察所得到的相移曲線。采用了三個(gè)影響F171的L(電感)值-9.0mH(曲線91、101、111和121)，它是27.3mH-67％，-27.3mH(曲線92、102、112和122)，-37.5mH(曲線93、103、113和123)，它是27.3mH+37％。
對(duì)于Fp(固有頻率)等于10kHz的情形，BODE曲線示于圖9和10。類似地，對(duì)于Fp等于3.5kHz的情形，BODE曲線示于圖11和12。
這些結(jié)果在6種情況(Fp和L改變)下確認(rèn)了上述特定頻率(相移是模為360°的0°)十分接近于二次型濾波器的固有頻率。
于是，在所選的參數(shù)值下，這個(gè)頻率不敏感于電負(fù)載的參數(shù)。
非線性放大器75是能滿足增益條件的。振蕩條件也得到了滿足。
2.3調(diào)制器這里利用了參考輸入。圖13所示的系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)輸入的低頻參考信號(hào)去控制輸出電流和振蕩頻率fosc的控制。
比較器78的正輸入端接收一個(gè)正弦信息。事實(shí)上要復(fù)現(xiàn)的參考電流可以具有任何形式。下述適用于某些應(yīng)用的特殊情況是正弦型的。它說明了應(yīng)該遵循的分析要點(diǎn)。
于是電流Ire’f(參考)選成是正弦的Ire’f＝I.Sin(wst)。在以下說明中采用了如下一些參數(shù)L＝5mHR＝15Ωτ1＝333μSfc1＝478HzFp＝10kHzI＝16Afs＝200HzRT＝1V/AE＝300vξ＝0.707各種信號(hào)的變化情況如圖14所示。
考慮到從非線性放大器的輸出端到它的輸入端總的相移從0°變到-450°(F1、RT、F2的極值是-90°、0°、-180°，比較器負(fù)輸入)，所以存在一個(gè)使系統(tǒng)振蕩的特定頻率。
此外，閉環(huán)控制使得能在比較器負(fù)輸入端上出現(xiàn)一個(gè)始終趨向于施加在正輸入端上的信號(hào)的信號(hào)?？缱?轉(zhuǎn)移阻抗)RTre’f和RT假定具有相同的值，電流Is將趨向于參考電流Ire’f。
在圖14中，參考電流Ire’f(171)、放大器輸出電壓Vs(172)、Is(173)、比較器上的反饋電壓Vr(174)，這些信號(hào)表明了這一工作情況。從圖15所示的放大圖可以更好地看到這一結(jié)果。
3.實(shí)施3.1調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)3.1.1調(diào)制器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)為了進(jìn)行這些試驗(yàn)已制成了一個(gè)電路板。在此電路板上已能控制二次型低通濾波器F277的固有頻率。這種對(duì)固有頻率的控制是利用一個(gè)帶切換容量的濾波器實(shí)現(xiàn)的。
3.1.2調(diào)制器的應(yīng)用概況圖16示出了該概況。為了進(jìn)行試驗(yàn)，把轉(zhuǎn)換器放置在一個(gè)由三相電網(wǎng)202通過一個(gè)電源整流器203供電的電源變流器201內(nèi)。調(diào)制器204被參考信號(hào)205控制，后者是一個(gè)對(duì)應(yīng)于待復(fù)現(xiàn)電流與傳感器跨阻RT的乘積的電壓。
對(duì)電阻和電感性負(fù)載的試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中所采用的參數(shù)如下R＝4.23ΩL＝27.3mHτ1＝6.45mSRT＝1.35v/A E＝180VFp＝3.64kHzI(峰值電流)＝3Afs(電流頻率)＝200Hz在理論分析對(duì)所遇到的參數(shù)RT是電流傳感器的跨阻。負(fù)載供電線上的“采樣”電流被等于RT的系數(shù)“放大”，這里RT的值固定為1.35v/A。
調(diào)制器的參考信號(hào)211和電流傳感器的輸出信號(hào)212示于圖17。
這些實(shí)際結(jié)果表明參考信號(hào)211很好地被傳感器輸出信號(hào)212跟隨了。這兩個(gè)信號(hào)中的前一個(gè)是被系數(shù)RT放大了的參考電流，后者是乘上了同一系數(shù)RT的負(fù)載中的電流。結(jié)果，負(fù)載中的電流跟隨了參考電流。
這樣得到的負(fù)載中的電流頻譜示于圖18。
這個(gè)電流譜有一個(gè)位于200Hz處的基頻(1號(hào)譜線)，其后是一個(gè)直到4200Hz(2號(hào)譜線)的噪聲譜。
在4490Hz呈現(xiàn)一個(gè)大幅度的譜線(3號(hào)譜)。伴隨著兩側(cè)的另兩條譜線，在那里構(gòu)成了一組譜線，間接地表明了振蕩的平均頻率，從而表明了電源開關(guān)的功耗。
3.1.4調(diào)制器對(duì)參數(shù)變化的敏感性梯度式模擬調(diào)制器的起動(dòng)，可表明該調(diào)制器會(huì)快速地趨向于目標(biāo)電流，并且振蕩頻率穩(wěn)定在一個(gè)給定值上。
借助適當(dāng)軟件設(shè)備處理的模擬模式示于圖19。
圖20和21示出輸入一個(gè)梯形電流后所得到的一些典型信號(hào)241Ire’f242Is251Vs/50252Vr253Vre’f在隨各種參數(shù)的變化范圍中，振蕩很不敏感于負(fù)載的電參數(shù)。于是沒有必要知道負(fù)載71的電參數(shù)。為了確定濾波器F277的參數(shù)，只需要知道一個(gè)很寬的數(shù)量級(jí)就可以了。
4.應(yīng)用例4.1直流電機(jī)的電流調(diào)節(jié)直流電機(jī)可以看成是一個(gè)與一個(gè)電感(L)和一個(gè)電阻(R)相關(guān)連的電動(dòng)勢(shì)。
在此情形中，被轉(zhuǎn)換的供電電源是對(duì)稱的(+E，-E)，而阻抗(R，L)兩端被轉(zhuǎn)換的等效電壓是不對(duì)稱的。
上述的理論結(jié)果已經(jīng)證明，只要供電電壓不下降到某個(gè)極限值以下，對(duì)稱的供電電壓變化只有極小的影響。對(duì)于一個(gè)不對(duì)稱電源，該調(diào)制器同樣適用。
調(diào)制器的這一適用情況示于圖22。
控制器261根據(jù)目標(biāo)速度產(chǎn)生參考電流值，這個(gè)值應(yīng)該是在直流電機(jī)(MCC)262的線包內(nèi)流過的電流值。有一個(gè)保護(hù)級(jí)限制起動(dòng)時(shí)的電流。這個(gè)限制電流可以任意選擇，在實(shí)例中是5A。
圖23示出參考電流(271)和負(fù)載中的電流(272)。
4.2三相同步電機(jī)的電流控制本發(fā)明的調(diào)制器同樣適用于三相負(fù)載。對(duì)于同步電機(jī)，建議從圖24的原理圖出發(fā)來模擬運(yùn)行。
控制器281根據(jù)參考速度282、電機(jī)285的速度283、以及經(jīng)過了調(diào)制器內(nèi)部的濾波預(yù)處理之后的測(cè)量電流284來產(chǎn)生參考電流。
控制器281并不知道電機(jī)285的電參數(shù)。調(diào)制器286也不知道。
圖25示出電機(jī)起動(dòng)時(shí)的參考電流和模擬電機(jī)中的電流。
觀察受三相調(diào)制器286控制的電機(jī)電流可看出，它們分別追隨了各自的參考電流(見圖26所示的大速度情況)。
4.3多相系統(tǒng)中的電流控制對(duì)于多相情形下的電流控制，每一相的結(jié)構(gòu)可以作如圖27所示的修改。
在此情形中，調(diào)制器可被限制在虛線框311內(nèi)。該調(diào)制器振蕩頻率并向第一輸入比較器提供測(cè)得電流的濾波圖像。
因?yàn)闉V波器F277可在高頻下工作，所以它也可以設(shè)置在結(jié)合濾波器314的高通輸出端與第二比較器313的負(fù)輸入端之間。濾波器F2同樣也可以設(shè)置在第二比較器313的輸出端與放大器75的輸入端之間。
在此情形中該調(diào)制器仍然可以完全由模擬電路實(shí)現(xiàn)。
第一比較器312可以由帶有或不帶有處理器的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。這時(shí)由后續(xù)處理器處理的信號(hào)將是低頻的。
這個(gè)假定的處理器為控制電機(jī)而執(zhí)行的算法不需要知道負(fù)載的電參數(shù)。
在三相系統(tǒng)的情形中，把輸入比較器分解成兩個(gè)比較器312和313使得能按電技術(shù)中公知的Concoordia(康科迪亞)和Park(帕克)二相基準(zhǔn)中比較參考電流和前濾波反饋電流。還有可能利用三相MLI的優(yōu)點(diǎn)即電壓振幅的過調(diào)制。
5.小結(jié)這樣，本發(fā)明提出了一種采用不帶滯后的繼電器型非線性放大器結(jié)合兩個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)，其輸出/輸入分別對(duì)應(yīng)于被控系統(tǒng)(F1)和本發(fā)明的新模塊(F2)。這個(gè)結(jié)構(gòu)能跟隨一個(gè)其低頻譜是任意的參考信號(hào)，并同時(shí)控制一個(gè)疊加在被跟隨信號(hào)上的較高頻率的振蕩。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)振蕩能對(duì)在帶有或不帶有反向電動(dòng)勢(shì)的單相或多相的應(yīng)用領(lǐng)域中所使用的一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
在這種結(jié)構(gòu)中，沒有必要知道負(fù)載的電參數(shù)。
這種結(jié)構(gòu)完全可以按模擬電路形式來實(shí)現(xiàn)。它同樣也能用混合(模擬和數(shù)字)電路來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.對(duì)一個(gè)可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)功率(電源)轉(zhuǎn)換器的控制方法，這種類型的系統(tǒng)至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器能根據(jù)一個(gè)考慮了參考輸入信號(hào)的控制信號(hào)和一個(gè)從電力系統(tǒng)的輸出端采樣的反饋信號(hào)來提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于上述電力系統(tǒng)的給定電信號(hào)，該方法的特征在于，給上述控制信號(hào)施加一個(gè)具有可控頻率的振蕩，該振蕩是通過給上述反饋信號(hào)進(jìn)行一個(gè)濾波得到的，上述濾波要求在反饋及濾波信號(hào)與上述電力系統(tǒng)的信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入-180°的相移。
2.對(duì)一個(gè)可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的控制裝置，這種類型的系統(tǒng)至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器能根據(jù)一個(gè)考慮了參考輸入信號(hào)的控制信號(hào)和一個(gè)從電力系統(tǒng)的輸出端采樣的反饋信號(hào)來提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于上述電力系統(tǒng)的給定電信號(hào)，該裝置的特征在于，它包括給上述控制信號(hào)施加一個(gè)具有可控頻率的振蕩裝置，該振蕩是通過給上述反饋信號(hào)進(jìn)行一個(gè)濾波得到的，上述濾波要求在反饋和濾波信號(hào)與上述電力系統(tǒng)的信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入-180°的相移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，上述濾波裝置包括一個(gè)其固有頻率接近于上述可控頻率的濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，上述可控頻率幾乎是恒定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，上述可控頻率是可調(diào)節(jié)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，上述濾波裝置被設(shè)計(jì)得能利用一個(gè)帶有可切換容量的濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，上述電力系統(tǒng)由一個(gè)單相電源供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，上述電力系統(tǒng)由一個(gè)多相電源供電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，它由一個(gè)多相電源供電，并且對(duì)于其中每一相它都包括-一個(gè)反饋信號(hào)濾波器，上述濾波應(yīng)能在反饋及濾波信號(hào)與上述電力系統(tǒng)的輸入信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入-180°的相移；以及-一個(gè)低通與高通相結(jié)合的濾波器，其中低通濾波器向一個(gè)第一比較器提供上述控制信號(hào)，高通濾波器向一個(gè)第二比較器提供上述控制信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，它是借助于模擬裝置實(shí)現(xiàn)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，它是借助于模擬裝置和數(shù)字處理裝置實(shí)現(xiàn)的。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，它被植入在一個(gè)集成電路中。
13.可變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，這種類型的系統(tǒng)至少包括一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器能根據(jù)一個(gè)考慮了參考輸入信號(hào)的控制信號(hào)和一個(gè)從電力系統(tǒng)的輸出端采樣的反饋信號(hào)來提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于上述電力系統(tǒng)的給定電信號(hào)，該系統(tǒng)的特征在于，它包括上述一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器的控制裝置，其中的轉(zhuǎn)換器包括能把一個(gè)具有可控頻率的振蕩施加給上述控制信號(hào)的裝置，該振蕩通過對(duì)上述反饋信號(hào)進(jìn)行一種濾波得到，上述濾波應(yīng)能在反饋和濾波信號(hào)與上述電力系統(tǒng)的輸入信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入-180°的相移。
全文摘要
本發(fā)明涉及用來控制一個(gè)可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的至少一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的一種方法和一種相應(yīng)的裝置,其中的可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括至少一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器能根據(jù)一個(gè)考慮了參考輸入信號(hào)的控制信號(hào)和一個(gè)在電力系統(tǒng)的輸出端采樣的反饋信號(hào)來提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于上述電力系統(tǒng)的給定電信號(hào)。該方法包括給上述控制信號(hào)施加一個(gè)具有可控頻率的振蕩,該振蕩是通過對(duì)上述反饋信號(hào)進(jìn)行一種濾波得到的,其中的濾波應(yīng)能在經(jīng)濾波的反饋信號(hào)與上述電力系統(tǒng)的輸入信號(hào)之間對(duì)上述可控頻率引入一個(gè)－180°的相移。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1268260SQ9880852
公開日2000年9月27日 申請(qǐng)日期1998年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月1日
發(fā)明者讓克洛德·勒克萊爾, 約瑟夫·薩亞爾, 沙米·西亞卡, 勒內(nèi)·勒德夫 申請(qǐng)人:埃薩伊戈萊電力工程師大西洋高等學(xué)校