专利名称:一种对电容实现恒流充电的数字控制方法及装置的制作方法
技术领域:
本发明涉及ー种对电容实现恒流充电的数字控制方法及装置。这种电容用于充磁机、点焊机的储能电容,用于如作为电源的超级电容等。
背景技术:
目前,电容的恒流充电采用的有模拟控制方法和数字控制方法。因实际的エ业场所交流电源电压波形与标准正弦波相差很大、交流电压有效值的高低也时有变化,现有的模拟电路控制方法对信号处理的方法较为简单,在过程充电中随着被充电电容电压的上升,难以保持较好的恒流充电效果。数字控制方法较多,有的对交流电源电压按标准正弦波推算充电脉冲导通初始角,恒流控制效果不好;有的采用高频充电,电路复杂,成本高。
发明内容
为了克服现有的电容充电恒流控制效果不好或电路复杂、成本高的不足,本发明提供ー种交流电源适应性好、对电容充电恒流控制效果好、电路简单、成本低的数字控制方法及装置。本发明解决其技术问题所采用的方案是以现场实际的交流电源电压的充电脉冲前的相近周期的同向波形为依据,按充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效电压以上部分的面积近似成正比的关系,根据设定的充电电流值预算出充电脉冲的导通初始角,实现恒流充电的效果。为弥补运算方法上的误差,达到更好的恒流充电的效果,在这基础上,还可采集实际的充电电流值,与设定的充电电流值相比较,实现闭环控制,达到更好的恒流充电的效果。还可在充电回路中充电电容前增加扼流线圈和续流ニ极管,既利于恒流控制,又能提高充电效率。本发明的有益效果是,交流电源适应性好、对电容充电恒流控制效果好、电路简单、成本低。
图I是交流电源电压正弦波和充电脉冲信号示意图;图2是本发明的实施装置A的结构示意图。图3是本发明的实施装置B的结构示意图。图I中纵轴Vac是交流电压值,另ー纵轴AWc是充电脉冲控制信号值,横轴t/ Φ是时间/相位值。I是交流电源电压的过零处。2是现场交流电源电压相对时间或相位的近似正弦的曲线,在エ业环境中交流电源电压曲线与标准正弦曲线相差很大。3是充电脉冲的起始点,这一点的相位角Φ就是充电脉冲的导通初始角。4是充电脉冲的终止点,4的高度就是被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值。5是充电脉冲控制信号,控制充电回路功率器件的断、通。图2中的I是由具有相应运算速度和摸/数转换速度的微控制器或微处理器或数字信号处理器及其外围元、器件组成的控制单元。2是IGBT,它和它周围的ニ极管桥路也可用双向可控硅或两个单向可控硅代替。3是为检测现场交流电源瞬时电压用的交流电源电压信号输入端。4是从充电回路提取的电流信号输入端。设定充电电流值的输入信号Ics和设定被充电电容需要充达的电压值的输入信号Vcsf可以用按键、电位器、档位开关来实现。Vcsg是与被充电电容实际电压成正比的输入信号。AWm是充电脉冲控制输出信号,可通过光电耦合器件驱动2(IGBT或双向可控硅或两个单向可控硅)。若要放电,还可増加放电按纽和放电器件。也还可增加用于其他辅助功能的电路、按纽或开关。參照装置A对图I进行解释,充电电流瞬时值的大小应与3、4之间的电压曲线2上的点的高度减去4的高度的差成正比,半波内的充电电流平均值与流过的电量成正比,也即与3、4之间由电压曲线2和经过3的垂线及经过4的水平线围成的面积近似成正比,这面积可近似用累加和表达。由此可预算出下一个充电脉冲起始点的时间细分点序号(导通初始角与该序号成正比),若充电回路功率器件是双向可控硅或两个单向可控硅,只要在充电脉冲的起始点触发导通,在交流电源电压瞬时值与被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值相等4时,会自然结束充电,但这点以后还会有小量的变压器 空载电流流过双向可控硅或两个单向可控硅,直到电流近零处,低于可控硅维持电流时关断。可控硅触发导通越早变压器空载电流就越大,可能会对充电效率产生影响,这是采用双向可控硅或两个单向可控硅的不利之处。若充电回路功率器是IGBT,还需预算出下ー个充电脉冲终止点的时间细分点序号,给出充电脉冲控制信号5,使IGBT只在充电脉冲的起始点至充电脉冲终止点之间保持导通,虽然充电脉冲控制信号的位置相对自由,但在这一点4结束充电脉冲,可减小充电脉冲关断时的冲击。在预算下一个充电脉冲控制信号5时,先算出被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值,在已记录的现场实际交流电源前一周期同向半波电压曲线2从180°向0°方向(对正半波而言,对负半波类似)搜索到它们的第一个交点,这个交点的时间细分序号就下一个充电脉冲终止点。再从终止点向0°方向搜索下ー个充电脉冲起始点,当要求的充电电流与由电压曲线和经过充电脉冲起始点的垂线及经过充电脉冲終止点的水平线围成的面积乘以比例因子所得积相等时,这个点的时间细分序号就是下ー个充电脉冲起始点。然后在时间到达充电脉冲起始点时充电脉冲控制信号使充电回路功率器件导通,在时间到达充电脉冲终止点时充电脉冲控制信号使充电回路功率器件关断。对装置A,之所以认为充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比,是因为交流电源经变压器及全波整流电路向电容充电时,对理想变压器,只有当交流电源瞬时电压的绝对值大于被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效电压,才会产生充电电流。对实际变压器,初级绕组还含有空载电流分量。对电容的一次充电是由许多个充电脉冲组成,从被充电电容电压对应到变压器电源绕组的等效电压来看,每ー个充电脉冲产生的电压升值并不大。如充了 5秒钟,共500个充电脉冲,电容的等效电压从O伏上升到250伏,则平均每ー个充电脉冲只使电容的等效电压上升O. 5伏。变压器线圈绕组有电阻,充电回路可能还接有限流电阻,还有磁路方面的非理想因素等,充电电流的瞬时值近似为交流电源瞬时电压与被充电电容该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效电压之差再除以等效充电电阻所得的值。半波内的平均电流等于半波内流过的电量除以半波的时长,因半波的时长是不变的,所以半波内的平均电流只与半波内流过的电量成正比。通常等效充电电阻是个常量,半波内对电容脉冲充电时,考虑到ー个脉冲充电对被充电电容电压影响不大,半波内的平均充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比。在对时长作等间距充分细分的条件下,该面积与它的图形在各细分的时间点的高度的累加和成正比。对成正比的两个变量的比例因子,可实测得到ー组值,获得比例因子,也可用推算的方法获得。图3与图2相比在充电回路中充电电 容前增加了扼流线圈4和续流ニ极管。若没有扼流线圈4和续流ニ极管,当充电回路电阻很小吋,充电电流脉冲幅度很大,为了把半波内平均充电电流限制在一定范围内,必须使充电电流脉冲宽度变窄。但过大的充电电流脉冲幅度对充电开关元器件不利,过窄的充电电流脉冲宽度对半波内平均电流控制精度不利。加入适当电感量的扼流线圈和续流ニ极管,既能降低充电电流脉冲幅度、加宽充电电流脉冲宽度,又能与采用限流电阻相比提高充电效率。有了扼流线圈4和续流ニ极管,需要寻找新的方法预算下ー个充电脉冲起始点的时间细分点序号,及下ー个充电脉冲终止点的时间细分点序号,如简化计算模型,从差分方程获取算法,再辅以闭环误差补偿。
具体实施例方式对交流电源的正、负半波的时长按控制精度作充分的细分,在细分的时间点采集现场交流电源的电压及实际的充电电流,为预算后面的充电脉冲导通初始角作准备,并在到达本半波的充电脉冲导通初始角吋,输出充电脉冲。一般来说,对电容的一次充电,最初的充电脉冲的导通初始角设计在(对正半波而言,对负半波类似)接近180°且小于180°,对装置A,随着半波电压的下降,充电脉冲的瞬时值也在下降,当半波电压瞬时值等于被充电电容等效到变压器的交流电源ー侧的电压时,充电脉冲关断。以后充电脉冲逐个增加,被充电电容的电压逐渐上升,充电脉冲的导通初始角也逐渐减小,直到被充电电容上升到设定的需要充达的电压值。从这可以看出这种方法对电容充电,充电电流发生在交流电源正弦半波的中后沿,这有利于在一定程度上抵销一般的整流电路电流发生在交流电源正弦半波的前沿所带来对交流电源正弦波波形的影响。同时说明这种充电方式的交流电源正弦半波的前沿从0°到一定的相位角范围内的波形对充电电流没有影响,对这个范围内交流电源的电压不需采集,所以可用定时中断细分交流电源的正、负半波时长、给细分的时间点以序号、启动交流电源电压、实际的充电电流、被充电的电容电压摸/数转换并用DMA传输转换值,在主程序中记录本半波的交流电源电压及闭环控制所需的实际的充电电流的瞬时值,把耗时的预算下一个充电脉冲导通初始角的数字运算放在交流电源电压的过零处至下一个充电脉冲导通初始角之间。因电容和充电回路存在一定量的漏电,要使电容电压维持在ー个稳定值,还需不断补充微量电流。也可用定时中断采集交流电源电压及被充电的电容电压及闭环控制所需的实际的充电电流的瞬时值、细分交流电源的正、负半波时长、给时间细分点以序号、在交流电过零处对时间细分点序号清零,把耗时的预算下一个充电脉冲导通初始角的数字运算放在上一个充电脉冲后沿至下一个充电脉冲导通初始角之间。采用具有相应运算速度和模/数转换速度的微控制器或微处理器或数字信号处理器,可以用按键、电位器、档位开关设定充电电流值和设定被充电电容需要充达的电压值,根据设定的充电电流值、设定的被充电电容需要充达的电压值、被充电电容的该时实际电压值、及现场实际交流电源前一周期同向半波的由细分点组成的电压曲线和前一周期同向半波的由细分点瞬时值算出的实际充电电流,计入误差补偿,对装置A,按充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比的关系,预算出下一个充电脉冲起始点的时间细分点序号(导通初始角与该序号成正比),控制功率器件开关充电电流,实行闭环控制。也可不采集实际的充电电流,不作误差补偿,实行开环控制。对充磁机、点焊机还可増加放电按纽和放电器件,及其他辅助功能的按纽或开关。下面模仿C语言描述采用本发明闭环控制方法的充电回路功率器件选用IGBT的装置A的第一个实施例定时中断细分交流电源的正、负半波时长,给细分的时间点以序号,启动交流电源电压、实际的充电电流、被充电的电容电压模/数转换并用DMA传输转换值O ; MainO
{
时钟初始化O;
芯片引脚初始化O;
中断初始化O;
摸/数转换初始化O;
DMA初始化O;
定时器初始化O; while (I)
{
While (摸/数DMA未完成)//等待完成
{
}
If (该时间细分点是交流电源电压过零处)
{
清零时间细分点序号;
清零实际充电电流瞬时值的累加和;
读取按键O;
键功能处理O;
以前一周期同向半波的由细分点组成的实际电压曲线为依据,根据设定的充电电 流值、设定的被充电电容需要充达的电压值、被充电电容的该时实际电压值、及 前一周期同向半波的由细分点瞬时值算出的实际充电电流,按充电电流与在充电 脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器 电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比的规则,再加入积分式误差补偿, 预算出下ー个充电脉冲的起始点时间细分点序号(即导通初始角)和终止点时间 细分点序号O;
}
else
{
I f (该时间细分点序号〉=充电脉冲终止点时间细分点序号)
{
关断充电回路;
}
else
{
I f (该时间细分点序号〉=充电脉冲起始点时间细分 点序号)
{
接通充电回路;
累加该时间细分点实际的充电电流瞬时值;
II
记录该时间细分点交流电源电压瞬时值;
}
清除模/数颜A元成标志;
}
}下面模仿C语言描述采用本发明闭环控制方法的充电回路功率器件选用IGBT的装置A第二个实施例定时中断采集交流电源电压及被充电的电容电压及闭环控制的所需的实际的充电电流的瞬时值、细分交流电源的正、负半波时长,给时间细分点以序号、在交流电过零处对时间细分点序号清零O;
Main O
I
时钟初始化O;
芯片引脚初始化O;
中断初始化O;
摸/数转换初始化O;DMA初始化O;
定时器初始化Ο ;while(I)
{
读取按键O;
键功能处理O;
以前一周期同向半波的由细分点组成的实际电压曲线为依据,根据设定的充电电流 值、设定的被充电电容需要充达的电压值、被充电电容的该时实际电压值、及前一 周期同向半波的由细分点瞬时值算出的实际充电电流,按充电电流与在充电脉冲时 间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组 的等效值以上部分的面积近似成正比的规则,再加入积分式误差补偿,预算出下一 个充电脉冲的起始点时间细分点序号(即导通初始角)和终止点时间细分点序号O; while (该时间细分点序号く充电脉冲起始点时间细分点序号)
{
}
接通充电回路;
while (该时间细分点序号く充电脉冲终止点时间细分点序号)
{
}
关断充电回路;
}
}
权利要求
1.ー种对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于以现场实际的交流电源电压的充电脉冲前的相近周期的波形为依据,根据设定的充电电流值预算出充电脉冲的导通初始角,实现恒流充电的效果。
2.如权利要求I所述的对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于按充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比的关系,预算后面的充电脉冲的导通初始角。
3.如权利要求1、2所述的对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于对交流电源的正、负半波的时长按控制精度作充分的细分,在细分的时间点采集现场交流电源的电压及实际的充电电流,为预算后面的充电脉冲导通初始角作准备,并在到达本半波的充电脉冲导通初始角时,输出充电脉冲。
4.如权利要求3所述的对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于用定时中断细分交流电源的正、负半波时长、给细分的时间点以序号、启动交流电源电压、被充电的电容电压及闭环控制所需的实际的充电电流的摸/数转换并用DMA传输转换值,在主程序中记录本半波的交流电源电压及闭环控制所需的实际的充电电流的瞬时值,把预算后面的充电脉冲导通初始角的数字运算放在交流电源电压的过零处至下ー个充电脉冲导通初始角之间。
5.如权利要求3所述的对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于用定时中断采集交流电源电压及被充电的电容电压及闭环控制的所需的实际的充电电流的瞬时值、细分交流电源的正、负半波时长,给时间细分点以序号、在交流电过零处对时间细分点序号清零,把预算后面的充电脉冲导通初始角的数字运算放在上一个充电脉冲后沿至下ー个充电脉冲导通初始角之间。
6.如权利要求3、4、5所述的对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于根据设定的充电电流值、设定的被充电电容需要充达的电压值、被充电电容的该时实际电压值、及以前相近周期同向半波的由细分点组成的电压曲线,按充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比的规则,预算出后面的充电脉冲的导通初始角,实行开环控制。
7.如权利要求3、4、5所述的对电容实现恒流充电的数字控制方法,其特征在于用定时中断细分交流电源的正、负半波时长,给细分的时间点以序号,启动交流电源电压、实际的充电电流、被充电的电容电压摸/数转换并用DMA传输转换值,记录本半波的交流电源电压的瞬时值,记录或累加实际的充电电流的瞬时值,根据设定的充电电流值、设定的被充电电容需要充达的电压值、被充电电容的该时实际电压值、及以前相近周期同向半波的由细分点组成的电压曲线和以前相近周期同向半波的由细分点瞬时值算出的实际充电电流,计入误差补偿,按充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比的规则,预算出后面的充电脉冲的导通初始角,实行闭环控制。
8.ー种对电容实现恒流充电的数字控制装置,可以含有设定充电电流值和设定被充电电容需要充达的电压值的按键、电位器、档位开关,及可能含有用于其他辅助功能的电路、按纽或开关,其特征在干具有为检测现场交流电源瞬时电压用的交流电源电压信号输入端。
9.如权利8所述的对电容实现恒流充电的数字控制装置,其特征在于具有从充电回路提取的电流信号输入端。
10.如权利8、9所述的对电容实现恒流充电的数字控制装置,其特征在于在充电回路中充电电容前具有扼流线圈和续流ニ极管。
全文摘要
一种对电容实现恒流充电的数字控制方法及装置,以现场实际的交流电源电压的波形为依据,根据设定的充电电流值按充电电流与在充电脉冲时间段内交流电源电压曲线以下、被充电电容的该时实际电压对应到变压器电源绕组的等效值以上部分的面积近似成正比的关系,预算出下一个充电脉冲的导通初始角,实现恒流充电的效果。在这基础上,还可采集实际的充电电流值,与设定的充电电流值相比较,实现闭环控制,达到更好的恒流充电的效果。还可在充电回路中充电电容前增加扼流线圈和续流二极管,既利于恒流控制,又能提高充电效率。本发明与现有的电容恒流充电的方法及装置相比,具有交流电源适应性好、恒流充电效果好、电路简单、成本低等优点。
文档编号H02J7/10GK102694411SQ201210184199
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者邵振翔 申请人:邵振翔