专利名称：抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于自动控制领域,适用于控制开关电路装置的负反馈电路。
背景技术：
负反馈控制系统是自动控制中的重要环节，其作用是通过环路的自身调 节，使输入输出保持某种特定的关系，被广泛用于电子设备或控制系统中， 用于提高设备或系统的技术性能或实现某种特定的功能。开关电路装置是指 含有半导体开关器件的，具有能量转换或具有控制功能的装置，如开关电源 或用半导体开关器件的导通和关断控制执行机构运动的系统，如用开关器件 控制的温度、压力、速度、位移等装置。可以用响应速度，静态误差及稳定 性评价一个反馈控制系统的品质。其中稳定性是反馈系统能够使用的先决条 件， 一个失稳的控制系统是无法使用的。从理论设计反馈控制系统的角度讲， 如欲避免控制系统失稳，需要建立被控系统的数学模型，才有可能用现有的 控制理论判断失稳、抑制失稳。但是当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时，反馈系统控制器的结构和参数必须依靠经验和
现场调试来确定，此时只能预先设计一个调节器，如最常使用的PID调节器， 通过反复试验确定调节器的参数。由于被控对象的复杂性，有些应用即使花 费大量工作，控制系统也难以稳定运行。
众所周知，反馈控制系统的稳定性由其自身结构决定。当一个控制系统 失稳时，可以采用增加校正环节的方法抑制失稳，如对一个失稳的比例调节 器可以串联积分校正环节或微分校正环节。现有调节器的特点是，只对误差 信号进行运算。如调节器只运算与误差信号成比例的信号出现失稳时，就增 加运算误差信号的微分信号与积分信号，误差信号是参考信号与反馈信号的 差值。由于要从被控对象中提取反馈信号，这种方法对被控对象的特性依赖 性很强，如被控对象是一个无法用数学模型描述的，同时又具有较大惯性且 频繁受到外界干扰的物理量，现有的校正方法很难达到满意的效果。发明内容
本实用新型的目的是提供一种电路，即在现有负反馈电路中增加一个校
正环节3，该校正环节3连接在调节器及开关信号之间，开关信号是指驱动开 关电路装置中的开关器件的信号，让调节器不仅运算误差信号，也运算开关 信号，从而利用开关信号对调节器的输出运动进行调节，可以抑制反馈控制 系统的失稳。
本实用新型的解决方案是电路由调节器l，开关信号转换环节2及被控
对象4构成。调节器1的输入端接参考信号及反馈信号，调节器1的输出端 接开关信号转换环节2，开关信号转换环节2将调节器1的输出信号转换成驱 动半导体开关器件的开关信号，开关信号转换环节2接被控对象4中的半导 体开关器件，被控对象4是含有半导体器件的开关电路装置，被控对象4输 出反馈信号，反馈信号与调节器1的输入端连接。其特征是开关信号转换 环节2还连接一个能够滤除开关信号中的低频分量的校正环节3，校正环节3 的输出端连接至调节器1的输入端。
所述的校正环节3可以是一阶高通滤波器。 一阶高通滤波器由电阻和电 容串联的电路组成。
所述的校正环节3可以应用在比例积分调节负反馈控制回路中，这时的 调节器1为比例积分调节电路，开关信号转换环节2为将调节器1的输出信 号通过与锯齿波比较转化成开关信号的电路。
所述的校正环节3也可以应用在比例调节负反馈控制回路中，这时的调 节器1为比例调节电路，开关信号转换环节2为将调节器1的输出信号通过 与锯齿波比较转化成开关信号的电路。
这时的调节器1为由比例积分;节电路和电流型集成^制芯片UC;56口内部两 个运算放大器构成的双闭环比例积分调节电路，开关信号转换环节2由电流 型集成控制芯片UC3856的内部比较器和内部逻辑电路及其两路输出构成。 本实用新型的有益效果是釆用上述方案后，无须知道被控对象4的数学模型，通过增加一个校正环节3的简单方法就可以抑制开关电路装置的反
馈控制系统的失稳。
图l为本实用新型的原理框图。
图2为比例积分调节回路中使用校正环节的闭环负反馈控制原理图。 图3为比例调节回路中使用校正环节的闭环负反馈控制原理图。 图4为一种使用校正环节的双闭环负反馈控制原理图
图中1、调节器，2、开关信号转换环节，3、校正环节，4、被控对象。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的实施方案，本实用新型的技术方 案主要应用于开关电路装置。
图l是本实用新型的原理框图，Vref是参考信号，Vf是反馈信号，Vm 是校正环节3的输出信号。调节器1输出受误差信号及校正环节3的输出信 号Vm控制，误差信号是指参考信号与反馈信号的差值信号。与一般的控制回 路相比，本实用新型的特征是多用一个校正环节3，其从控制开关器件的开 关信号中提取信息，由于开关信号含盖了调节器l输出运动状态的信息，可 以利用该信号对调节器l的输出运动变化起到阻尼作用，因此可以抑制反馈 控制系统的失稳。Vm信号对调节器运动变化的阻尼作用，是指当误差信号使 调节器的输出变化时，Vm信号阻碍调节器的输出变化。欲使Vm达到这种阻 尼作用，将本实用新型应用到不同个例时注意Vm的极性。如果误差信号 (Vref-Vf)增加时，调节器的输出值增加，Vm采用与Vf相同的极性，即-Vm， 如图1中所标出的极性；但如果误差信号(Vref-Vf)增加，调节器的输出值 减小，Vm则应采用与Vf相反的极性。改变一个信号进入调节器时的运算极 性是公知的知识，如可以改变Vm进入调节器不同的极性输入端，调节器的极 性输入端是指调节器的同相输入端或反相输入端；或者将开关信号用反相器 倒相后再连接到校正环节的输入端。图2的原理说明接有校正环节3的比例积分调节回路的实施方案，其中 比例积分调节器1由放大器、电容、电阻按公知技术构成。开关信号转换环 节2的电路也是按公知技术构成(如图所示)，其功能是将调节器1输出信号 与锯齿波比较转换成开关控制信号。图中Vref是参考信号，Vf是反馈信号， Vm是校正环节3的输出信号，Rl.l、 R1.2、 Rl. 3、 R3. 1是电阻，Cl. 1是积 分电容，Cl. 2是低通滤波电容，C3.1是高通滤波电容，Opl. 1是运算放大器， Cp2.1是比较器。采用此方案的一个具体实施例是被控对象4是开关电源， 电源输出采用电感电容滤波电感10毫亨，电容100微法；积分调节器l 中Rl. l:40kQ， R1.2:40kQ， R1.3=400kQ， Cl. l二0.47uF， C1.2二0.01uF; 电源开关频率3000Hz时电源输出出现失稳现象；在加入校正环节3后，输出 稳定；校正环节3中R3. 1=20 kQ ， C3. 1=0. 22uF。经过高通滤波器后的开关 信号对调节器1输出变化的阻尼强弱取决于高通滤波器中的电阻值及电容 值，比如减少电阻值，增加电容值就增强阻尼，反之亦然。阻尼大利于控制 系统的稳定性，但增大响应时间。在此例中如继续减小R3.1的电阻值，增大 C3.1的电容值，仍能保持输出稳定，但响应时间要延长。
图3是接有校正环节3的比例调节回路的实施方案，图中Vref是参考信 号，Vf是反馈信号，Vm是校正环节3的输出信号，Rl. 1、 Rl. 2、 Rl. 3、 R3. 1 是电阻，Cl. 2是低通滤波电容，C3. 1是高通滤波电容，Opl. 1是运算放大器， Cp2.1是比较器。与图2的区别是调节器l采用比例调节器。对于上面实 施例中同样的被控对象4，在此方案中Rl. l=20k Q ， Rl. 2=20k Q ， Rl. 3=1000k Q， C1.2:0.01uF， R3. l=60kQ; C3.1=0. luF，可实现稳定控制。
图4是另一种应用校正环节3的比例积分调节回路的实施方案，为双闭 环控制。图中，Vfl及Vf2是被控对象4提供给调节器l的两路反馈信号，Rl. 1、 R1.2、 R1.3、 R1.4是电阻，C1.2是电容，Opl. 1是运算放大器。本例采用了 电流型集成控制芯片UC3856,其内部的运算放大器Opl. 2、Opl. 3、 二极管Dl. 1 加上比例积分调节电路构成双闭环比例积分调节电路；图中C/S+、C/S-、EA+、EA-意义等参见厂家提供的使用说明。开关信号转换环节2中的比较器CP2. 1 也是UC3856内部的比较器；UC3856内部的集成逻辑电路用实线框Log2. 1表 示；Aout，Bout是UC3856的两路输出，详情参见UC3856使用说明书。校正环 节3中，R3.1是电阻，C3.1是电容，Vm是校正环节3的输出信号。采用双闭 环控制的一个实施例是被控对象4是电机作为执行机构的位移系统。被控 对象4提供调节器1两路反馈信号，其中Vf2是电机电枢电流信号，Vf 1是与 位移量成比例的信号。电机的双闭环控制是公知技术,可以参看相关资料。在 此例中，调节器l参数Rl. l=20kQ， R1.2=20kQ， R1.3= 200kQ， R1.4=24 Q， CI. l=0.47uF， C1.2=0.01uF;开关信号转换环节2参数R2. l=2kQ; 此例在未加校正装置之前失稳，加入校正环节3后稳定；校正环节3参数-R3. l=40kQ; C3. 1=0. 47uF。
上述几例中校正环节3均使用模拟量高通滤波器，如欲使用数字高通滤 波器，将设计好的模拟量高通滤波器利用公知的方法映射成数字高通滤波器， 可以得到同样效果。
权利要求1. 抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路，该反馈控制电路为控制开关电路装置的负反馈电路，包括调节器(1)，开关信号转换环节(2)及被控对象(4)，调节器(1)的输入端接参考信号及反馈信号，调节器(1)的输出端接开关信号转换环节(2)，开关信号转换环节(2)将调节器(1)的输出信号转换成驱动半导体开关器件的开关信号，开关信号转换环节(2)接被控对象(4)中的半导体开关器件，被控对象(4)是含有半导体器件的开关电路装置，被控对象(4)输出反馈信号，反馈信号与调节器(1)的输入端连接。其特征在于开关信号转换环节(2)还连接一个能够滤除开关信号中的低频分量的校正环节(3)，校正环节(3)的输出端连接至调节器(1)的输入端。
2. 根据权利要求1所述的抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路， 其特征在于所述的校正环节(3)是一阶高通滤波器。
3. 根据权利要求2所述的抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路， 其特征在于所述的一阶高通滤波器由电阻和电容串联的电路组成。
4. 根据权利要求3所述的抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路， 其特征在于所述的调节器(1)为比例积分调节电路；所述的开关信号 转换环节(2)为将调节器(1)的输出信号通过与锯齿波比较转化成开 关信号的电路。
5. 根据权利要求3所述的抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路， 其特征在于所述的调节器(1)为比例调节电路；所述的开关信号转换 环节(2)为将调节器(1)的输出信号通过与锯齿波比较转化成开关信 号的电路。
6. 根据权利要求3所述的抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路， 其特征在于采用含有两个运算放大器、 一个比较器、集成逻辑电路、 两路输出的电流型集成控制芯片UC3856，所述的调节器(1)为由比例积 分调节电路和电流型集成控制芯片UC3856内部两个运算放大器构成的双 闭环比例积分调节电路；所述的开关信号转换环节(2)由电流型集成控制芯片UC3856的内部比较器和内部逻辑电路及与其两路输出连接的外围元件构成两路输出接被控对象(4)的两个控制点，并分别通过二极管后相接至校正环节(3)。
专利摘要抑制开关电路装置中反馈控制电路失稳的电路，属于自动控制领域，适用于控制开关电路装置的负反馈电路。该电路是在由调节器1，开关信号转换环节2，被控对象4构成的一般闭合控制回路中加入一个校正环节3，校正环节3连接在开关信号转换环节2和调节器1之间。校正环节3的功能是滤除开关信号中的低频分量，调节器1不仅运算误差信号，还运算校正环节3提供的信号，调节器1的运算结果由误差信号及校正环节3提供的信号共同确定。本方法的优点是不要求被控对象提供数学模型，用简单的电路就可以抑制开关电路装置中负反馈电路的失稳。
文档编号G05B11/32GK201251697SQ20082010987
公开日2009年6月3日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者李攀峰, 李西恭, 赵小舟, 郭丽娟 申请人:北京工业大学