專(zhuān)利名稱(chēng)：用于控制電控制部件中的電流或其端子間的電壓的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制電控制部件中的電流或所述電控制部件的端子間的電壓的 電路。本發(fā)明的特別有意義的應(yīng)用在于控制電流或具有可變電感的電機(jī)(諸如用于機(jī)動(dòng)車(chē) 輛中所謂的電磁閥(“無(wú)凸輪”系統(tǒng))的致動(dòng)器)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電磁閥的電磁致動(dòng)需要電能。此電能來(lái)自于機(jī)動(dòng)車(chē)上的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。電磁閥系統(tǒng)的 性能涉及最小化機(jī)載網(wǎng)絡(luò)上的電能消耗。在實(shí)踐中，機(jī)軸的輸出處可用的功率等于熱機(jī)實(shí) 發(fā)的總功率減去它的輔助裝置的正確操作(閥的致動(dòng)、水和油泵的驅(qū)動(dòng)等等)需要的功率。一般地，正或負(fù)電流控制的電機(jī)通常由H結(jié)構(gòu)的功率橋控制，該H結(jié)構(gòu)的功率橋也 稱(chēng)為“四象限”電橋(或“全橋斬波器(chopper)”)，根據(jù)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)其是單相或多相的。 術(shù)語(yǔ)“四象限”電橋應(yīng)當(dāng)被理解為意指在電壓-電流特性的所有象限上工作的電橋控制。一 般地，該控制電子設(shè)備通過(guò)將具有固定頻率的PWM(脈沖寬度調(diào)制)型的控制施加于功率橋 來(lái)迫使電流到設(shè)定點(diǎn)。圖1中示出了“四象限”電橋1的電子結(jié)構(gòu)的示例。電橋1包括-四個(gè)端子5、6、7和8，-連接到電橋1的第一和第二端子5和6的DC電壓源9(這可以是例如電池、DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器或AC-DC電源轉(zhuǎn)換器)，-電控制部件10(諸如具有可變電感的電負(fù)載)，用于控制致動(dòng)器并且連接在電橋 電路1的第三和第四端子7和8之間，-連接在第一和第三端子5和7之間的第一開(kāi)關(guān)C1,-連接在第一和第四端子5和8之間的第二開(kāi)關(guān)C2,-連接在第二和第三端子6和7之間的第三開(kāi)關(guān)C3,-連接在第二和第四端子6和8之間的第四開(kāi)關(guān)C4。因此，電橋1包括分別由串聯(lián)的開(kāi)關(guān)C1和C3以及由串聯(lián)的開(kāi)關(guān)C2和C4形成的兩 個(gè)臂Bl和B2。電源開(kāi)關(guān)C1和C4可以是MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)晶體管或 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)晶體管。最普遍用于它的魯棒性的技術(shù)是通過(guò)使用由脈沖寬度調(diào)制(PWM)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制 來(lái)控制平均電流。它的最大優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)噪聲的免疫力。在實(shí)踐中，調(diào)節(jié)回路不需要瞬時(shí)電流 而是經(jīng)濾波的值。此濾波引入了延遲，在追求高帶寬時(shí)該延遲可以證明是高度限制性的。在 “無(wú)凸輪”系統(tǒng)致動(dòng)器的情況下，值監(jiān)控器計(jì)算必須被施加于磁路的端子的電壓設(shè)定點(diǎn)壙。 脈沖寬度調(diào)制策略將電壓設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)換成閉合/斷開(kāi)電源電子設(shè)備的電子開(kāi)關(guān)(在這種情況 下，為它們四個(gè))的指令。電源電子設(shè)備應(yīng)用PWM策略的命令同時(shí)觀察它自己的約束條件 (死區(qū)時(shí)間、完整時(shí)間等的管理)。如果Sci用于表示開(kāi)關(guān)Ci的開(kāi)關(guān)函數(shù)，則我們獲得Sc =|o如果 斷開(kāi) =<[ι如果 閉合對(duì)于同一個(gè)電橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)(Ci和ci+2)的控制是對(duì)立的以避免引起電源短路。 因而，給定兩個(gè)開(kāi)關(guān)函數(shù)(每個(gè)臂一個(gè))隨時(shí)間的趨勢(shì)足以根據(jù)DC電壓Udc來(lái)確定磁路10 的端子處的電壓Ua。t。為了方便起見(jiàn)，通常選擇高開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)函數(shù)。通過(guò)忽略導(dǎo)電元件中的 電壓降和開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合時(shí)間，可以推出下式uact = (Sc1-Sc2)udc為了簡(jiǎn)單，通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)化的電壓設(shè)定點(diǎn)/的值與頻率fPWM的單三角載波Vp (t)比 較來(lái)確定開(kāi)關(guān)函數(shù)Sc1和Sc2的時(shí)間趨勢(shì)。三角函數(shù)可以是取最小值Vpmin和最大值Vpmax之 間的值的任何函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)定點(diǎn)電壓/的值然后為-v^ {V-UDC)+Vpmax
Ζ.C/ DC通過(guò)由下式定義函數(shù)符號(hào)(X)
,、
所述控制電路的特征在于，它呈現(xiàn)_第一狀態(tài)，其中所述第一和第四開(kāi)關(guān)閉合，并且所述第二和第三開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，_第二狀態(tài)，其中所述第二和第三開(kāi)關(guān)閉合，并且所述第一和第四開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，_以下兩個(gè)狀態(tài)中的至少一個(gè)〇第三狀態(tài)，其中所述第三和第四開(kāi)關(guān)閉合，并且所述第一和第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，〇第四狀態(tài)；其中所述第一和第二開(kāi)關(guān)閉合；并且所述第三和第四開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；
所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置授權(quán)-從所述第一狀態(tài)到所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，-從所述第二狀態(tài)到所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，-從所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)到所述第一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，-從所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)到所述第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)本發(fā)明，該控制電路可以用于管理由PWM策略控制的“四象限”電橋的三個(gè)或 四個(gè)狀態(tài)(即，該電路可以用于切換到三個(gè)或四個(gè)不同的狀態(tài))。提出的PWM策略被稱(chēng)為三 態(tài)的，因?yàn)槭┘佑谪?fù)載(電控制部件)的端子的電壓\是基于三個(gè)電平-UDC、0和Udc(其 中，UD。指定由電源供給的電壓)。第三狀態(tài)的引入節(jié)省了一個(gè)硬切換(和一個(gè)軟切換)。為 了避免導(dǎo)致兩個(gè)硬切換的“磁化”狀態(tài)與“去磁”狀態(tài)之間的直接轉(zhuǎn)變，根據(jù)本發(fā)明的電路 允許從“磁化”狀態(tài)到所謂的“續(xù)流”狀態(tài)(對(duì)應(yīng)于第三或第四狀態(tài)中的任何一個(gè))的轉(zhuǎn)變 和從“去磁”狀態(tài)到“續(xù)流”狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，切換的數(shù)目可以減少一半。這樣的減少對(duì) 電源電子設(shè)備的尺寸具有顯著的影響，并且允許-現(xiàn)有電源電子設(shè)備的可靠性的提高；-使用的組件的小型化；_成本的降低。此外，關(guān)于通過(guò)渦電流的損耗，在將電橋切換到兩個(gè)狀態(tài)的四象限電橋的常規(guī)控 制與將電橋在三個(gè)或四個(gè)狀態(tài)之間切換的根據(jù)本發(fā)明提出的控制之間，有效值相差懸殊。 三態(tài)或四態(tài)控制施加較小的電壓來(lái)控制相同的電流，換句話說(shuō)提供相同的平均電壓。此外，如上所述，由電部件控制的致動(dòng)器具有相對(duì)于機(jī)架的寄生(spurious)電 容。電壓的斬波在控制電子設(shè)備中產(chǎn)生高頻諧波，其經(jīng)由地返回。這些是共模干擾。EMC標(biāo) 準(zhǔn)限制此噪聲電平。根據(jù)本發(fā)明，由三態(tài)控制產(chǎn)生的電壓產(chǎn)生比雙態(tài)控制少的諧波。因而 實(shí)現(xiàn)共模電流減小6dB。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)還可以呈現(xiàn)以下特征中的一個(gè)或多個(gè)(單獨(dú)地或以所有技術(shù) 上可能的組合考慮)。有利地，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置授權(quán)-第一所謂的負(fù)交替階段，包括從所述第一狀態(tài)到所述第三狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和從所述 第三狀態(tài)到所述第一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，所述第一和第三開(kāi)關(guān)形成第一臂，稱(chēng)為幅度臂，以所謂的 斬波頻率切換，并且所述第二和第四開(kāi)關(guān)形成第二臂，稱(chēng)為符號(hào)臂，所述第二和第四開(kāi)關(guān)分 別閉合和斷開(kāi)，-第二所謂的正交替階段，包括從所述第二狀態(tài)到所述第四狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和從所述 第四狀態(tài)到所述第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，所述第一和第三開(kāi)關(guān)以所述所謂的斬波頻率切換，并且 所述第二和第四開(kāi)關(guān)分別斷開(kāi)和閉合，
所述符號(hào)臂的所述第二和第四開(kāi)關(guān)的切換確保所述負(fù)交替和正交替之間以低于 所述斬波頻率的頻率轉(zhuǎn)變。有利地，根據(jù)本發(fā)明的控制電路包括串聯(lián)連接在所述電控制部件和所述第四端子 之間的旁路電阻器。在這種情況下，該控制電路優(yōu)先地包括運(yùn)算放大器，所述旁路電阻器的端子形成 所述運(yùn)算放大器的反相和同相輸入端。有利地，根據(jù)本發(fā)明的控制電路包括-電荷泵電容器，當(dāng)被充電時(shí)，其適合于傳送用于所述第二開(kāi)關(guān)的控制電壓；-第二電源，傳送小于由所述第一電壓源傳送的電壓的電壓，所述第二電壓源適用 于在所述第四開(kāi)關(guān)閉合時(shí)為所述電荷泵電容器充電；-用于在所述控制電路處于正交替階段時(shí)強(qiáng)迫從所述第四狀態(tài)到所述第三狀態(tài)的 轉(zhuǎn)變以使得所述電荷泵電容器經(jīng)由所述第二電源被再充電的裝置。根據(jù)第一實(shí)施例，所述控制裝置包括-用于產(chǎn)生具有占空系數(shù)為α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置；_用于將所述具有占空系數(shù)為α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第三開(kāi)關(guān)以及 將具有占空系數(shù)為l-α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第一開(kāi)關(guān)的裝置；-用于在正交替和負(fù)交替之間周轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)機(jī)的裝置〇當(dāng)所述電橋處于它的正交替并且占空系數(shù)α被消除時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài)變 化并且轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)交替。〇當(dāng)所述電橋處于它的負(fù)交替并且占空系數(shù)α等于100%時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài) 變化并且轉(zhuǎn)變?yōu)檎惶?。有利地，所述電源輸送DC電壓+UDe，所述控制電路包括_用于在所述正交替期間將等于乘積α XUdc的平均電壓施加到所述電控制部件 的裝置；_用于在所述負(fù)交替期間將等于乘積(α -1) XUdc的平均電壓施加到所述電控制 部件的裝置。根據(jù)第二實(shí)施例，所述控制裝置包括-用于產(chǎn)生具有占空系數(shù)為α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置；-用于將所述具有占空系數(shù)α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有占空系數(shù)為α‘ =2α-1的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置；-用于在所述正交替期間將所述具有占空系數(shù)為α'的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加 到所述第三開(kāi)關(guān)(AL)以及將具有占空系數(shù)為l-α ‘的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第一 開(kāi)關(guān)(AH)的裝置；-用于在所述負(fù)交替期間將所述具有占空系數(shù)為l-α‘的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施 加到所述第三開(kāi)關(guān)(AL)以及將具有占空系數(shù)為α ‘的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第一 開(kāi)關(guān)(AH)的裝置；-用于在正交替和負(fù)交替之間通過(guò)以實(shí)現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)機(jī)的裝置〇當(dāng)所述電橋處于它的正交替并且所述占空系數(shù)α嚴(yán)格小于50%時(shí)，所述狀態(tài) 機(jī)檢測(cè)狀態(tài)變化并且轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)交替。
〇當(dāng)所述電橋處于它的負(fù)交替并且所述占空系數(shù)α大于或等于50%時(shí)，所述狀 態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài)變化并且轉(zhuǎn)變?yōu)檎惶妗Ｓ欣兀鲭娫摧斔虳C電壓+UDC，所述控制電路包括用于在所述正交替期間和 在所述負(fù)交替期間將等于乘積(2 α -1) XUdc的平均電壓施加到所述電控制部件的裝置。有利地，所述用于將所述具有占空系數(shù)α的脈沖寬度調(diào)制 信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有占空 系數(shù)為α ‘ = 2α-1的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置包括-用于執(zhí)行占空系數(shù)等于50%的信號(hào)與占空系數(shù)為α的所述信號(hào)之間的減法的
裝置；-用于將由所述減法獲得的信號(hào)加倍的裝置。優(yōu)先地，所述用于執(zhí)行占空系數(shù)等于50%的信號(hào)與所述占空系數(shù)為α的信號(hào)之 間的減法的裝置是執(zhí)行異或邏輯函數(shù)的裝置，在它的兩個(gè)輸入端上分別具有所述占空系數(shù) 等于50%的信號(hào)和所述占空系數(shù)為α的信號(hào)。優(yōu)先地，所述用于將由所述減法獲得的信號(hào)加倍的裝置包括至少一個(gè)計(jì)數(shù)器。有利地，所述控制裝置包括在可編程邏輯電路中。有利地，所述開(kāi)關(guān)是MOSFET晶體管。本發(fā)明的另一主題是根據(jù)本發(fā)明的控制電路在由具有可變電感的感性負(fù)載形成 的電部件中的用途。有利地，該電部件包含在具有致動(dòng)零件的致動(dòng)器中，所述電部件以位移方式控制 所述致動(dòng)零件。優(yōu)先地，所述致動(dòng)器是用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的電磁閥致動(dòng)器。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從如下描述、經(jīng)由指示和非限制方式、參考附圖而清 楚呈現(xiàn)，其中-圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)的四象限電橋的電子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖表示；-圖2圖形表示如圖1所示的四象限電橋的開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)函數(shù)Sc1(t)和Sc2(t)的 確定；-圖3示出四象限電橋上由根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的PWM策略引起的切換；-圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的控制電路的狀態(tài)；-圖5和6示出分別在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的使用兩個(gè)狀態(tài)的PWM控制的情況下和在根 據(jù)本發(fā)明的使用三個(gè)狀態(tài)的控制電路的情況下施加于負(fù)載(諸如圖4的負(fù)載)的電壓和該 負(fù)載中的電流作為時(shí)間的函數(shù)的趨勢(shì)；-圖7表示用于直接測(cè)量負(fù)載電流的電路；-圖8表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的控制電路的狀態(tài)；-圖9示出合并旁路電阻器的根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的控制電路的狀態(tài)；-圖10示出如圖9所示的電路的測(cè)量的電流和負(fù)載電流作為時(shí)間的函數(shù)的趨勢(shì)；-圖11表示用于根據(jù)本發(fā)明的控制電路中的開(kāi)關(guān)的電荷泵電路；-圖12表示用于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的控制電路的調(diào)節(jié)回路；-圖13示出根據(jù)圖12的調(diào)節(jié)回路使用、構(gòu)造的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的結(jié)構(gòu)；
-圖14表示在圖12的調(diào)節(jié)回路的情況下由負(fù)載觀察的平均電壓；-圖15示出用于根據(jù)本發(fā)明的四狀態(tài)控制電路的調(diào)節(jié)回路的第一實(shí)施例；-圖16表示用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖15的調(diào)節(jié)回路的狀態(tài)機(jī)；-圖17表示在圖15的調(diào)節(jié)回路的情況下由負(fù)載觀察的平均電壓；-圖18到21表示在根據(jù)圖15的調(diào)節(jié)回路的不同的結(jié)構(gòu)中測(cè)量的電流、電流設(shè)定 點(diǎn)、PWM信號(hào)、符號(hào)信號(hào)和負(fù)載的端子間的電壓作為時(shí)間的函數(shù)；-圖22示出用于根據(jù)本發(fā)明的四狀態(tài)控制電路的調(diào)節(jié)回路的第二實(shí)施例；-圖23表示用于圖22的調(diào)節(jié)回路的減法裝置的實(shí)施例；-圖24表示用于圖22的調(diào)節(jié)回路的加倍裝置的實(shí)施例；-圖25表示用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖22的調(diào)節(jié)回路的狀態(tài)機(jī)；-圖26表示在圖15的調(diào)節(jié)回路的情況下由負(fù)載觀察的平均電壓。
具體實(shí)施例方式在所有圖中，給予公共的元件相同的參考數(shù)字。已參考現(xiàn)有技術(shù)如上描述圖1到3。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的控制電路100的三個(gè)狀態(tài)。電路100包括-四個(gè)端子105、106、107 和 108，-輸送電壓+Udc電壓源109，例如電池或DC-DC電源轉(zhuǎn)換器(或AC-DC電源 轉(zhuǎn)換器)，連接到電橋1的第一和第二端子105和106，-電控制部件110，諸如感性負(fù)載，用于控制致動(dòng)器并且連接在第三和第四端子 107和108之間，-連接在第一和第三端子105和107之間的第一開(kāi)關(guān)AH，-連接在第一和第四端子105和108之間的第二開(kāi)關(guān)BH，-連接在第二和第三端子106和107之間的第二開(kāi)關(guān)AL，-連接在第二和第四端子106和108之間的第四開(kāi)關(guān)BL。電源開(kāi)關(guān)AH、BH、AL和BL例如是MOSFET晶體管。每個(gè)晶體管具有反向平行安裝 的二極管(在MOSFET晶體管的情況下呈現(xiàn)直通(through)結(jié)構(gòu))?！氨跘”在下文中將用于表示包括串聯(lián)的開(kāi)關(guān)AH和AL的臂，“臂B”將用于表示包 括串聯(lián)的開(kāi)關(guān)BH和BL的臂。電控制部件(在下文中也稱(chēng)為負(fù)載)110在此情況下是用于控制電磁閥的致動(dòng)器 (電磁鐵)的可變電感。可變電感顯然不是理想的并且包括電阻部分。電控制部件110中的 電流例如用于控制閥的斷開(kāi)和閉合(借助將閥保持在斷開(kāi)或閉合位置的閘板(paddle))。 閥的位置由與設(shè)定點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)的設(shè)定點(diǎn)定義。在圖4中示出了三個(gè)狀態(tài)(分別是磁化、續(xù)流(freewheeling)和去磁)-磁化狀態(tài)對(duì)應(yīng)于晶體管BH和AL閉合并且晶體管AH和BL斷開(kāi)的情況在這種 情況下，施加于負(fù)載Iio的端子的電壓\具有值+Udc ；-續(xù)流狀態(tài)對(duì)應(yīng)于晶體管AL和BL閉合并且晶體管AH和BH斷開(kāi)的狀態(tài)此狀態(tài) 在下文中將被稱(chēng)為“低”續(xù)流狀態(tài)，與其中晶體管AH和BH閉合并且晶體管AL并且BL斷開(kāi)的稱(chēng)為“高”續(xù)流狀態(tài)的另一種續(xù)流狀態(tài)(這里沒(méi)有示出)相反。在高或低續(xù)流的情況下， 施加于負(fù)載110的端子的電壓\具有值0。-去磁狀態(tài)對(duì)應(yīng)于晶體管BH和AL閉合并且晶體管AH和BL斷開(kāi)的情況在這種 情況下，施加于負(fù)載110的端子的電壓\具有值-uDC。引入這三個(gè)(或四個(gè))狀態(tài)的好處是它們提供了減少每個(gè)周期中切換的數(shù)目的方 式。從磁化狀態(tài)到去磁狀態(tài)的轉(zhuǎn)變(反之亦然)需要兩次切換，而從磁化狀態(tài)或去磁狀態(tài) 到續(xù)流狀態(tài)(高或低)的轉(zhuǎn)變僅僅需要一次切換。在實(shí)踐中，在第一種情況下，兩個(gè)臂同時(shí) 開(kāi)關(guān)，而在另一種情況下，僅僅一個(gè)臂開(kāi)關(guān)。我們將在下文中看到，使用低和高兩個(gè)續(xù)流狀 態(tài)是有益的；但是，這兩個(gè)狀態(tài)(高低續(xù)流)實(shí)現(xiàn)相同的功能，并且也可以僅僅使用兩個(gè)續(xù) 流狀態(tài)中的一個(gè)此結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于僅僅使用了低續(xù)流狀態(tài)。為了節(jié)約切換的數(shù)目，永遠(yuǎn)沒(méi)有磁化狀態(tài)和去磁狀態(tài)之間的任何直接轉(zhuǎn)變。因而， 對(duì)于給定的頻率，可以將切換的數(shù)目減少一半。圖5和6示出分別在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的使用兩個(gè)狀態(tài)的PWM控制的情況下、和在根 據(jù)本發(fā)明的使用三個(gè)狀態(tài)的控制電路的情況下施加于負(fù)載110(諸如圖4的負(fù)載)的端子 的電壓VL和該負(fù)載中的電流IL的趨勢(shì)?？梢钥闯觯陔p態(tài)控制的情況下，在負(fù)載中保持正或負(fù)電流IL導(dǎo)致工作在兩個(gè)象 限上(分別與磁化和去磁狀態(tài)對(duì)應(yīng)的正電壓交替和負(fù)電壓交替+Udc和-Udc)，而利用三個(gè)狀 態(tài)的電流的相同控制使得可以實(shí)質(zhì)上僅僅工作在一個(gè)象限上(根據(jù)被控制的是正電流還 是負(fù)電流而為正或負(fù)電壓交替，以及與續(xù)流狀態(tài)對(duì)應(yīng)的幾乎零電壓)。注意，在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，僅僅使用低續(xù)流狀態(tài)，并且兩個(gè)臂A和B以PWM控制 的頻率(通常幾十乃至數(shù)百kHz)切換。這樣的結(jié)構(gòu)可以引起直接負(fù)載電流測(cè)量上的一些共模干擾。我們將首先參考圖7 簡(jiǎn)要地描述用于執(zhí)行這樣的測(cè)量的電路200。電路200除了包括如上已經(jīng)參考圖4所述的組件之外，還包括與負(fù)載110串聯(lián)的 旁路電阻器201，所述旁路電阻器具有鏈接到電路200的端子108和運(yùn)算放大器202的同相 輸入端的端子203、以及鏈接到負(fù)載110和運(yùn)算放大器202的反相輸入端的端子204。當(dāng)實(shí)現(xiàn)平均電流控制時(shí)直接在負(fù)載上采取電流測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是不必重構(gòu)電流以獲 得平均電流的圖像。此外，由于旁路電阻器是廉價(jià)的解決方案，因此接受高的共模電壓的運(yùn) 算放大器的使用是重要的。因而，可以具有相對(duì)于地參考的測(cè)量結(jié)果。另一方面，相位受到 相對(duì)于地的強(qiáng)的電勢(shì)變化。這就是為什么需要高的共模抑制比(高的CMRR)以便具有在放 大器的輸出端處不受噪聲影響的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果的濾波可以降低共模噪聲，但是它也 妨礙帶寬或穩(wěn)定性。當(dāng)必須具有高帶寬并且必須具有快速的切換時(shí)，可能難以具有特定的 測(cè)量結(jié)果。因而，通過(guò)使用具有雙態(tài)PWM控制的電路200，由于干擾電流的調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)的每次 切換，因而電流的測(cè)量結(jié)果受到峰值的噪聲影響。避免此問(wèn)題的解決方案在于組織四個(gè)可能的狀態(tài)(磁化、去磁、高續(xù)流、低續(xù)流) 的順序，以使得鏈接到電流測(cè)量旁路電阻器201的臂電橋(在這種情況下，臂B)不以斬波 頻率切換。此解決方案如圖8所示，圖8表示由與圖4所示的電路100的組件相同的組件形成的控制電路300的四個(gè)狀態(tài)的順序。以下在正文中，我們將區(qū)分四象限控制電路300的兩個(gè)宏觀狀態(tài)-術(shù)語(yǔ)“正交替”應(yīng)用于控制電路300切換開(kāi)關(guān)AH、AL、BH和BL以使得負(fù)載110觀 察的平均電壓為正時(shí)。注意，正平均電壓引起負(fù)載中的正電流込。-表述“負(fù)交替”應(yīng)用 于所述控制電路切換開(kāi)關(guān)以使得負(fù)載110觀察的平均電壓為 負(fù)時(shí)。注意，正平均電壓引起負(fù)載中的正電流込。通過(guò)僅僅切換臂A開(kāi)關(guān)AH和AL而臂B開(kāi)關(guān)總是保持在相同的狀態(tài)中(BH閉合并 且BL斷開(kāi))來(lái)獲得正交替；因而在正交替的情況下，存在從磁化狀態(tài)(AH斷開(kāi)并且AL閉 合)到高續(xù)流狀態(tài)(AH閉合并且AL斷開(kāi))的轉(zhuǎn)變，這兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變以斬波頻率(通 常幾十乃至數(shù)百kHz)發(fā)生。因而，在正交替期間，僅僅臂A以高頻(斬波頻率)切換，臂B 不切換。通過(guò)切換臂B (BH斷開(kāi)并且BL閉合)獲得從正交替到負(fù)交替的轉(zhuǎn)變。通過(guò)僅僅切換臂A開(kāi)關(guān)AH和AL而臂B開(kāi)關(guān)總是保持在相同的狀態(tài)中(BH斷開(kāi)并 且BL閉合)來(lái)獲得負(fù)交替；因而在負(fù)交替的情況下，存在從磁化狀態(tài)(AH閉合并且AL斷 開(kāi))到低續(xù)流狀態(tài)(AH斷開(kāi)并且AL閉合)的轉(zhuǎn)變，這兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變以斬波頻率(通 常幾十乃至數(shù)百kHz)發(fā)生。因而，在負(fù)交替期間，如在正交替期間一樣，僅僅臂A以高頻 (斬波頻率)切換，臂B不切換。無(wú)論磁化和低續(xù)流狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間之間的比率如何，負(fù)載110觀察的平均電壓是 正的。這就是為什么術(shù)語(yǔ)“正交替”用于指定這兩個(gè)狀態(tài)之間的切換。以同樣的方式，無(wú)論去磁和續(xù)流狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間之間的比率如何，負(fù)載110觀察 的平均電壓是負(fù)的。這就是為什么術(shù)語(yǔ)“負(fù)交替”用于指定這兩個(gè)狀態(tài)之間的切換。通過(guò)區(qū)分高續(xù)流與低續(xù)流，對(duì)于相同的交替，可以僅僅切換控制電路300的一個(gè) 臂。在正交替期間，臂B(BH閉合，BL斷開(kāi))不切換，而臂A以斬波頻率切換。類(lèi)似地， 在負(fù)交替期間，臂B (BH斷開(kāi)，BL閉合)不切換，而臂A以斬波頻率切換。因而，在這兩個(gè)交替期間，臂B不切換。臂B的切換僅僅發(fā)生在交替發(fā)生變化時(shí)， 此時(shí)施加于負(fù)載110的平均電壓的符號(hào)發(fā)生變化。兩個(gè)交替之間的切換以大大低于斬波頻 率的頻率和以低于電流調(diào)節(jié)的帶寬的頻率發(fā)生，理論上小于斬波頻率的二分之一，但是一 般大于斬波頻率的十分之一(通常幾KHz)。因此，可以將電橋的臂(在這種情況下，為臂A)專(zhuān)用于高頻切換以調(diào)節(jié)施加于負(fù) 載的電壓的幅度(絕對(duì)值)，并且將另一臂(在這種情況下，為臂B)專(zhuān)用于低頻切換以調(diào)節(jié) 施加于負(fù)載的電壓的極性。以下在正文中，將區(qū)分用于調(diào)節(jié)幅度的幅度臂(臂A)和用于調(diào)節(jié)施加于負(fù)載的電 壓的極性的符號(hào)臂(臂B)。幅度臂和符號(hào)臂的使用對(duì)于合并旁路電阻器的控制電路的結(jié)構(gòu)特別重要。這樣的電路400的正和負(fù)交替如圖9所示。電路400除了包括已經(jīng)在上文參考圖 4描述的組件之外，還包括與負(fù)載110串聯(lián)的旁路電阻器201，其具有鏈接到電路200的端 子108和運(yùn)算放大器202的同相輸入端的端子203、以及鏈接到負(fù)載110和運(yùn)算放大器202 的反相輸入端的端子204。由開(kāi)關(guān)AH和AL形成的臂A是幅度臂，其以斬波頻率切換并且用于設(shè)置負(fù)載110中的電流的絕對(duì)值。由開(kāi)關(guān)BH和BL形成的臂B是符號(hào)臂并且用于執(zhí)行正 交替和負(fù)交替之間的轉(zhuǎn)變。此結(jié)構(gòu)特別重要，因?yàn)楣材８蓴_的發(fā)生小于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的兩級(jí)結(jié)構(gòu)的共模干擾 的發(fā)生。干擾僅僅發(fā)生在符號(hào)交替期間。物理上，符號(hào)改變發(fā)生在電流的斜率(slope)基 本上反轉(zhuǎn)時(shí)。圖10示出了根據(jù)未示范(disembodiment)的操作負(fù)載的端子間的電壓VL 和負(fù)載中測(cè)量的電流IL(借助旁路電阻器201和運(yùn)算放大器202)被表示為時(shí)間的函數(shù)。 正交替AP (在其期間BL斷開(kāi)并且BH閉合)后面是負(fù)交替AN(在其期間BH斷開(kāi)并且BL閉 合)。共模干擾(干擾測(cè)量的電流的電流峰值)僅僅發(fā)生在改變交替時(shí)。如上所指出，利用 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙態(tài)結(jié)構(gòu)，我們將在每次切換時(shí)觀察到峰值。應(yīng)當(dāng)注意，參考圖9和10描述的實(shí)施例涉及只要沒(méi)有改變交替就保持符號(hào)臂B的 兩個(gè)晶體管中的一個(gè)一直閉合因而，在調(diào)節(jié)正的恒定電流的情況下，符號(hào)臂的晶體管BH 的閉合的控制可以是永久的。為了將MOSFET或IGBT晶體管保持在此閉合狀態(tài)，必須將控 制電壓施加于它的柵極。將控制電壓施加于晶體管的一個(gè)解決方案在于使用所謂的電荷泵 技術(shù)。圖11示出了用于根據(jù)本發(fā)明的控制電路中的開(kāi)關(guān)的電荷泵電路500，其使得可以保 持晶體管BH上的控制電壓(圖11中僅僅示出了臂B)。電路500包括-輔助電源501，輸送比來(lái)自于主電源的電壓Udc小(通常12到15V的量級(jí)，這些 電壓值與用于控制MOSFET晶體管的柵極的典型值對(duì)應(yīng))的電壓；- 二極管502，其陽(yáng)極鏈接到輔助電源501 ；-電容器503，具有鏈接到二極管502的陰極的第一端子和鏈接到晶體管BH和BL 的公共端子的第二端子；-第一開(kāi)關(guān)504，具有鏈接到二極管502的陰極的第一端子和鏈接到晶體管BH的 柵極的第二端子；-第二開(kāi)關(guān)505，具有鏈接到第一開(kāi)關(guān)504的第二端子從而鏈接到晶體管BH的柵 極的第一端子、和鏈接到晶體管BH和BL的公共端子的第二端子。通過(guò)閉合晶體管BL經(jīng)由輔助電源501來(lái)為電容器503充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)504閉合時(shí)，已充電的電容器503輸送用于控制晶體管BH的柵極的電壓?，F(xiàn)在，為控制晶體管BH而使用電荷泵技術(shù)并不使得能夠永遠(yuǎn)保持柵極上的電壓 而不用再充電。因而，當(dāng)正交替的持續(xù)時(shí)間超過(guò)某一時(shí)間時(shí)(當(dāng)調(diào)節(jié)正電流時(shí)可能的情 況)，不再能夠保證符號(hào)臂的晶體管BH的閉合，因?yàn)殡姾杀玫碾娙萜?03被逐漸放電到晶體 管BH的柵極中。為了避免此MOSFET的不必要的斷開(kāi)，一個(gè)解決方案在于強(qiáng)制符號(hào)臂的晶體管BL 的閉合以保證電荷泵的電容器503的充電。為了避免干擾負(fù)載控制，該轉(zhuǎn)變將發(fā)生在高續(xù)流狀態(tài)(負(fù)載觀察到零平均電壓) 期間，并且被強(qiáng)制的狀態(tài)將是低續(xù)流狀態(tài)(負(fù)載觀察到零平均電壓)。負(fù)載的控制不受這樣 的動(dòng)作的干擾，因?yàn)楦呃m(xù)流和低續(xù)流狀態(tài)相對(duì)于負(fù)載控制來(lái)說(shuō)完全等效。因而，電荷泵的再 充電是相對(duì)于負(fù)載(電控制部件)透明的動(dòng)作。因而，電荷泵的電容器503被再充電，以使得保持晶體管BH上的足夠的控制電壓； 為此，符號(hào)臂返回到晶體管BL的控制，其使得通過(guò)電荷泵電路500的二極管502由輔助電 源501將電容器503再充電。
我們將在下文中描述具有四個(gè)狀態(tài)(其中的高續(xù)流和低續(xù)流狀態(tài)從負(fù)載的觀點(diǎn) 看是等效的)的控制的兩個(gè)實(shí)施例。在描述之前，我們將簡(jiǎn)要地回顧一下四象限電橋的雙態(tài)控制的調(diào)節(jié)回路的操作； 這樣的回路600顯示在圖12中?；芈?00包括-減法器601;-放大器602;-具有占空系數(shù)α的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的發(fā)生器603；-四象限電橋604，用于將斬波電壓提供給負(fù)載(一般為感性負(fù)載)605，對(duì)其測(cè)量 的電流Imes形成要被所述回路600鎖定的電流。電橋604的雙態(tài)控制的調(diào)節(jié)回路600工作如下將電流設(shè)定點(diǎn)與要被鎖定的 電流的測(cè)量結(jié)果Imes相比較。由減法器601確定的電流設(shè)定點(diǎn)和要被鎖定的電流的測(cè) 量結(jié)果Imes之間的差E由增益為G的放大器602放大，以提供放大的差Ea (增益G可以是 比例增益、積分增益和微分增益的組合)。將放大的誤差Ea與載波(典型地為幅度為A的 三角波或鋸齒波信號(hào))相比較，以便產(chǎn)生PWM信號(hào)，其脈沖寬度由放大的誤差調(diào)制(α用于 表示PWM信號(hào)的占空系數(shù))。通過(guò)觀察同一臂的開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)之間的死區(qū)時(shí)間，利用 此PWM信號(hào)(或利用與PWM信號(hào)互補(bǔ)的信號(hào))控制四象限電橋的開(kāi)關(guān)。因此，將以載波頻 率斬波的電壓\施加于負(fù)載605。施加于負(fù)載605的平均電壓義直接取決于占空系數(shù)α。 電感為L(zhǎng)的負(fù)載605的電流Il(其中，線路電阻忽略不計(jì))組成(integrate)此電壓。因 而，負(fù)載中的電流可以以與電流的偏差或設(shè)定點(diǎn)的變化相反的方向增大或減小。圖13示出根據(jù)圖12的調(diào)節(jié)回路構(gòu)造的的占空系數(shù)為α的PWM信號(hào)的結(jié)構(gòu)。因 此，PWM信號(hào)由幅度為A的載波(在這種情況下為鋸齒波信號(hào)，但是它也可以是三角波信 號(hào))與由放大的誤差Ea表示的有用信號(hào)(調(diào)制信號(hào))之間的比較而構(gòu)成。載波用于設(shè)置 斬波頻率。只要調(diào)制信號(hào)在載波之上，形成用于電橋604的控制設(shè)定點(diǎn)的PWM信號(hào)就呈現(xiàn) 正脈沖，否則其呈現(xiàn)零。PWM信號(hào)是固定的參考信號(hào)(載波信號(hào))，其脈沖寬度取決于誤差
是PWM信號(hào)的占空系數(shù)使得可以控制負(fù)載中的電流。該占空系數(shù)具有值(即，發(fā)生
A
器603將增益1/Α應(yīng)用于放大的誤差Ea以便獲得占空系數(shù)α )。參考示出了磁化和去磁兩個(gè)狀態(tài)的圖3，占空系數(shù)為α的PWM信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān) AL和ΒΗ，而與PWM信號(hào)互補(bǔ)的、占空系數(shù)為l-α的信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān)AH和BL。因而，在磁 化狀態(tài)期間，DC電壓+Udc被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間α Τ,并且在去磁狀態(tài)期間，DC電壓-Udc被 施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間(1-α)Τ。因此負(fù)載10觀察到的平均電壓^為(2a-l)UD。。圖14將 在諸如圖12所示的雙態(tài)調(diào)節(jié)回路的情況下由負(fù)載觀察到的平均電壓^表示為占空系數(shù)α 的函數(shù)的線性趨勢(shì)。在就雙態(tài)調(diào)節(jié)回路回顧了現(xiàn)有技術(shù)后，我們現(xiàn)在將在下文中參考圖15描述使能 根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的四狀態(tài)控制電路的調(diào)節(jié)回路700的第一實(shí)施例。調(diào)節(jié)回路700包括-減法器701;-放大器702;-具有占空系數(shù)α的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的發(fā)生器703；
-四象限電橋，在它的正交替狀態(tài)705或在它的負(fù)交替狀態(tài)706中，用于將斬波電 壓提供給負(fù)載(一般為感性負(fù)載)707，對(duì)其測(cè)量的電流Inres形成要被所述回路700鎖定的 電流；-控制裝置708，用于在正交替705和負(fù)交替706之間改變。調(diào)節(jié)回路700工作如下將電流設(shè)定點(diǎn)與要被鎖定的電流的測(cè)量結(jié)果Inres相 比較。由減法器701確定的電流設(shè)定點(diǎn)Iref和要被鎖定的電流的測(cè)量結(jié)果Imes之間的差E 由增益為G的放大器702放大，以提供放大的差Ea (增益G可以是比例增益、積分增益 和微 分增益的組合)。將放大的誤差Ea與載波(通常為幅度為A的三角波或鋸齒波信號(hào))相比 較，以便經(jīng)由發(fā)生器703產(chǎn)生PWM信號(hào)，其脈沖寬度由放大的誤差調(diào)制(α表示PWM信號(hào)的 占空系數(shù))。還應(yīng)注意，如同在傳統(tǒng)的PWM控制中一樣，象限電橋的控制是電流設(shè)定點(diǎn)和電 流測(cè)量結(jié)果之間的誤差的函數(shù)。差別在于PWM函數(shù)，電橋狀態(tài)取決于由PWM信號(hào)確定的符 號(hào)。在實(shí)踐中，用于在正交替705和負(fù)交替706之間改變的控制裝置708實(shí)現(xiàn)以下?tīng)?態(tài)機(jī)(圖16所示)-當(dāng)電橋處于它的正交替705并且占空系數(shù)消除時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài)的變化并 且切換到負(fù)交替符號(hào)臂切換。-當(dāng)電橋處于它的負(fù)交替705并且占空系數(shù)等于1時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài)的變化并 且切換到正交替符號(hào)臂切換。參考圖8，在正和負(fù)交替二者期間，占空系數(shù)為α的PffM信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān)AL，并 且與PWM信號(hào)互補(bǔ)的、占空系數(shù)為(l-α)的信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān)AH。當(dāng)電橋處于它的正交替 并且占空系數(shù)消除時(shí)，裝置708控制開(kāi)關(guān)BH的斷開(kāi)和開(kāi)關(guān)BL的閉合。相反，當(dāng)電橋處于它 的負(fù)交替并且占空系數(shù)等于1時(shí)，裝置708控制開(kāi)關(guān)BL的斷開(kāi)和開(kāi)關(guān)BH的閉合。有利地，裝置708使用控制符號(hào)臂B的符號(hào)信號(hào)并使得所述臂能夠從正交替(正 符號(hào)信號(hào))切換到負(fù)交替(可以選擇負(fù)符號(hào)信號(hào)或零符號(hào)信號(hào))。根據(jù)電橋是處于它的正交替還是負(fù)交替來(lái)計(jì)算電橋的傳遞函數(shù)。-正交替〇磁化狀態(tài)電壓+Urc被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間αΤ(其中T表示PWM信號(hào)的周期)；〇高續(xù)流狀態(tài)零電壓被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間(1-α )Τ。〇因此，在正交替期間，由負(fù)載觀察到的平均電壓是=α / ￡:。-負(fù)交替O去磁狀態(tài)電壓-Udc被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間(1- α ) T ；〇低續(xù)流狀態(tài)零電壓被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間α Τ。〇因此，在負(fù)交替期間，由負(fù)載觀察到的平均電壓是&。換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例的控制電路包括-用于在該正交替705期間將等于乘積αXUdc的平均電壓施加到負(fù)載的裝置；-用于在負(fù)交替706期間將等于乘積(α-1) XUdc的平均電壓施加到負(fù)載的裝置。圖17表示四象限電橋的傳遞函數(shù)，也就是在諸如圖15所示的雙態(tài)調(diào)節(jié)回路的情 況下根據(jù)占空系數(shù)α由負(fù)載觀察到的平均電壓義?？梢郧宄赜^察到在每一個(gè)交替中平均電壓的線性行為，以及從一個(gè)交替到另一個(gè)交替的切換(在控制電路處于正交替時(shí)占空 系數(shù)被消除時(shí)，或者在控制電路處于負(fù)交替時(shí)占空系數(shù)等于1時(shí))。圖18到21將在不同結(jié)構(gòu)中測(cè)量的電流、電流設(shè)定點(diǎn)Iref、占空系數(shù)為α的PWM 信號(hào)、使得符號(hào)臂B能夠從正交替(正符號(hào)信號(hào))切換到負(fù)交替(負(fù)符號(hào)信號(hào))的符號(hào)信 號(hào)、和負(fù)載的端子處的電壓\表示為時(shí)間的函數(shù)。參考圖18，當(dāng)電流設(shè)定點(diǎn)突然下降時(shí)，設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量結(jié)果之間的差增大。該差是負(fù) 的。誤差被放大。PWM信號(hào)的占空系數(shù)與該誤差成比例減小，直到它的最小值(0%)。由于 符號(hào)信號(hào)開(kāi)始時(shí)是正的(正交替)，并且由于占空系數(shù)為零，因此狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到狀態(tài)變化。 符號(hào)信號(hào)切換并且變?yōu)樨?fù)的。圖17的傳遞函數(shù)告訴我們，對(duì)于零占空系數(shù)和負(fù)符號(hào)來(lái)說(shuō)， 施加于感性負(fù)載的平均電壓為負(fù)的并且它的幅度最大。測(cè)量的電流快速減小以向設(shè)定點(diǎn)收 斂。隨著測(cè)量的電流接近設(shè)定點(diǎn)，誤差減小并且占空系數(shù)增大，這引起電壓的幅度減小。參考圖19，當(dāng)電流設(shè)定點(diǎn)突然上升時(shí)，設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量結(jié)果之間的差增大。該差是 正的。誤差被放大。占空系數(shù)與放大的誤差成比例增大并且達(dá)到它的最大值。由于符號(hào)信 號(hào)開(kāi)始時(shí)是正的(正交替)，并且由于占空系數(shù)為最大，因此狀態(tài)機(jī)沒(méi)有檢測(cè)到任何狀態(tài)變 化。因而，施加于負(fù)載的電壓達(dá)到它的最大值，這使得電流向設(shè)定點(diǎn)收斂。放大的誤差隨著 測(cè)量的電流接近設(shè)定點(diǎn)而減小。參考圖20，當(dāng)電流設(shè)定點(diǎn)突然上升時(shí)，設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量結(jié)果之間的差增大。該差是正 的。誤差被放大。占空系數(shù)與該誤差成比例增大并且達(dá)到它的最大值。狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到占空 系數(shù)為最大值(100%)，而該符號(hào)信號(hào)開(kāi)始時(shí)為負(fù)的。符號(hào)信號(hào)切換并且變?yōu)檎摹D17 的四象限電橋的傳遞函數(shù)指示最大幅度的正電壓。該電壓使得測(cè)量的電流能夠增大并且趕 上設(shè)定點(diǎn)。隨著電流接近設(shè)定點(diǎn)，誤差減小，因此占空系數(shù)減小。參考圖21，當(dāng)電設(shè)定點(diǎn)突然減小時(shí)，設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量結(jié)果之間的差增大。該差是負(fù) 的。誤差被放大。占空系數(shù)與放大的誤差成比例減小并且達(dá)到它的最小值。由于符號(hào)信號(hào) 開(kāi)始時(shí)為負(fù)的，因此狀態(tài)機(jī)沒(méi)有檢測(cè)到任何變化。四象限電橋的傳遞函數(shù)指示施加的為負(fù) 的平均電壓，其幅度與該誤差成正比。感性負(fù)載的端子間的負(fù)電壓的幅度將為最大，這引起 電流快速減小。隨著測(cè)量的電流接近設(shè)定點(diǎn)，誤差減小，因此占空系數(shù)再一次增大。施加于 負(fù)載的電壓也達(dá)到它的最大值，這使得電流向設(shè)定點(diǎn)收斂。放大的誤差隨著測(cè)量的電流接 近設(shè)定點(diǎn)而減小。在該示例中，不存在符號(hào)變化。在參考圖15到21描述的解決方案的情況下，靜態(tài)誤差在正交替和負(fù)交替之間是 不同的。因而，為了在負(fù)載的端子間產(chǎn)生同一個(gè)平均電壓^ ,該誤差將在兩個(gè)交替情況下有 所不同。
AΛ在正交替的情況-.CC = ^-E: =A Vl
TJα U
u DCU DC 其中 <指定正交替情況下的放大的誤差。
( τ) Λ在負(fù)交替的情況= l +=A
U DC其中指定負(fù)交替情況下的放大的誤差t
1 +、
V uOCJ
因此誤差的比率為因此，負(fù)的靜態(tài)誤差可以大于正的靜態(tài)誤差。例如，如果電源電壓為49V并且在負(fù) 載的端子處設(shè)置IV，則比率為50。這引起調(diào)節(jié)時(shí)的不連續(xù)。從那時(shí)起，在交替之間的轉(zhuǎn)變 期間很可能發(fā)生電流的不同步。但是，此主要的靜態(tài)誤差可以通過(guò)靜態(tài)增益的增加來(lái)抵消。圖22示出用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的四狀態(tài)控制電路并且用于避免此靜態(tài)誤差問(wèn)題 的調(diào)節(jié)回路800的第二實(shí)施例。調(diào)節(jié)回路800包括-減法器801;-放大器802;-具有占空系數(shù)α的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的發(fā)生器803；-轉(zhuǎn)換器809，用于將占空系數(shù)為α的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空系數(shù)為α‘的PWM信 號(hào)(并且用于提供與占空系數(shù)為α ‘的PWM信號(hào)互補(bǔ)的占空系數(shù)為&的PWM信號(hào))；-四象限電橋，在它的正交替狀態(tài)805或在它的負(fù)交替狀態(tài)806中，用于將斬波電 壓提供給負(fù)載(一般為感性負(fù)載)807，對(duì)其測(cè)量的電流Inres形成要被所述回路800鎖定的 電流；-控制裝置808，用于在正交替805和負(fù)交替806之間切換。調(diào)節(jié)回路800工作如下將電流設(shè)定點(diǎn)與要被鎖定的電流的測(cè)量結(jié)果Inres相 比較。由減法器801確定的電流設(shè)定點(diǎn)Iref和要被鎖定的電流的測(cè)量結(jié)果Imes之間的差E 由增益為G的放大器802放大，以提供放大的差Ea (增益G可以是比例增益、積分增益和微 分增益的組合)。將放大的誤差Ea與載波(通常為幅度為A的三角波或鋸齒波信號(hào))相比 較，以便經(jīng)由發(fā)生器803產(chǎn)生PWM信號(hào)，其脈沖寬度由放大的誤差調(diào)制(α表示PWM信號(hào)的 占空系數(shù))。占空系數(shù)為α的PWM信號(hào)由轉(zhuǎn)換器809轉(zhuǎn)換以獲得相同頻率的另一個(gè)PWM信號(hào)， 其占空系數(shù)α ‘等于|2α_ |。轉(zhuǎn)換器809包括例如用于執(zhí)行50%的占空系數(shù)的PWM信號(hào)和占空系數(shù)為α的PWM 信號(hào)之間的減法的裝置。獲得的PWM信號(hào)具有占空系數(shù)。此減法可以由如圖23所示的異或邏輯函數(shù)獲得。該異或函數(shù)的輸入分別是具有 50%的占空系數(shù)的同步PWM信號(hào)和占空系數(shù)為α的PWM信號(hào)，并且直接在輸出端處獲得占
空系數(shù)為的PWM信號(hào)。轉(zhuǎn)換器809還包括用于對(duì)占空系數(shù)為的PWM信號(hào)進(jìn)行加倍的裝置；換句話
說(shuō)，結(jié)果信號(hào)是脈沖寬度為兩倍大的P麗信號(hào)。因此占空系數(shù)為|2d-l|。最后，轉(zhuǎn)換器809 將占空系數(shù)為α的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空系數(shù)為α ‘ = 2α-1的相同頻率的PWM信號(hào)。用于將PWM信號(hào)加倍的這些裝置可以使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些計(jì)數(shù)器的使用 如圖24所示。從占空系數(shù)為(α-1/2)的處理的信號(hào)開(kāi)始，在處理的信號(hào)的上升沿上，結(jié)果信號(hào)(加倍的信號(hào))轉(zhuǎn)變?yōu)楦郀顟B(tài)，并且由時(shí)鐘控制(pace)的第一計(jì)數(shù)器在脈沖寬度期間遞增 然后停止。在下降沿上，第二計(jì)數(shù)器遞增(由與第一計(jì)數(shù)器相同的時(shí)鐘定速)當(dāng)此第二計(jì) 數(shù)器的值等于第一計(jì)數(shù)器的值時(shí)，結(jié)果信號(hào)被消除。結(jié)果信號(hào)具有處理的信號(hào)的脈沖寬度 兩倍大的脈沖寬度。用于在 正交替805和負(fù)交替806之間切換的控制裝置808實(shí)現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)機(jī)(圖25 所示)-當(dāng)電橋處于它的正交替805并且占空系數(shù)嚴(yán)格地小于50%時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到 狀態(tài)的變化并且切換到負(fù)交替符號(hào)臂切換。-當(dāng)電橋處于它的負(fù)交替806并且占空系數(shù)大于或等于50%時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到 狀態(tài)的變化并且切換到正交替符號(hào)臂切換。參考圖8，在正交替期間(α大于或等于50 ，占空系數(shù)為α ‘的PWM信號(hào)被施 加于開(kāi)關(guān)AL，并且占空系數(shù)為(l-α ‘)的互補(bǔ)的PWM信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān)ΑΗ。在負(fù)交替期間(α嚴(yán)格小于50%)，占空系數(shù)為1-α'的PWM信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān) AL，并且占空系數(shù)為α ‘的互補(bǔ)的PWM信號(hào)被施加于開(kāi)關(guān)ΑΗ。當(dāng)電橋處于它的正交替并且占空系數(shù)α嚴(yán)格小于50%時(shí)，裝置808控制開(kāi)關(guān)BH 的斷開(kāi)和開(kāi)關(guān)BL的閉合。相反，當(dāng)電橋處于它的負(fù)交替并且占空系數(shù)α大于或等于50% 時(shí)，裝置808控制開(kāi)關(guān)BL的斷開(kāi)和開(kāi)關(guān)BH的閉合。有利地，裝置808使用符號(hào)信號(hào)來(lái)通過(guò)使得所述臂能夠從正交替(正符號(hào)信號(hào)) 切換到負(fù)交替(可以選擇負(fù)符號(hào)信號(hào)或零符號(hào)信號(hào))來(lái)控制符號(hào)臂B。根據(jù)它是處于它的正交替還是負(fù)交替來(lái)計(jì)算電橋的傳遞函數(shù)。_正交替O磁化狀態(tài)總線電壓+Udc被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間α ‘ T ；〇高續(xù)流狀態(tài)零電壓被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間(l-α ‘ )Τ；〇因此，由負(fù)載觀察到的平均電壓是=(2α-；-負(fù)交替O磁化狀態(tài)總線電壓-Udc被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間(1-2α)Τ;〇低續(xù)流狀態(tài)零電壓被施加于負(fù)載持續(xù)時(shí)間2 α T ；〇因此，由負(fù)載觀察到的平均電壓是之spa-l)^^。換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例的控制電路包括用于在正交替805期間和在負(fù) 交替806期間將等于乘積(2 α -1) XUdc的平均電壓施加于負(fù)載的裝置。圖26示出四象限電橋的傳遞函數(shù)，也就是在諸如圖22所示的四狀態(tài)調(diào)節(jié)回路的 情況下根據(jù)占空系數(shù)的由負(fù)載觀察到的平均電壓 >。可以清楚地觀察到平均電壓的線性行 為除已經(jīng)產(chǎn)生占空系數(shù)α的轉(zhuǎn)換的事實(shí)之外，此傳遞函數(shù)與已知的雙態(tài)四象限電橋的控 制的傳遞函數(shù)相同。不難理解，通過(guò)它的對(duì)稱(chēng)性，此傳遞函數(shù)使得能夠解決靜態(tài)誤差問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)控制策略的各種控制裝置(在使用根據(jù)圖15的調(diào)節(jié)回路的控制電路的情況 下、和在使用根據(jù)圖22的調(diào)節(jié)回路的控制電路的情況下二者)是例如并入FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編 程門(mén)陣列)中的邏輯裝置。顯然，本發(fā)明不局限于剛剛描述的實(shí)施例。
值得注意的是，已經(jīng)在應(yīng)用于電磁閥致動(dòng)器的情況下描述了本發(fā)明，但是它也應(yīng) 用于諸如電動(dòng)機(jī)之類(lèi)的由感性負(fù)載控制的任何種類(lèi)的電機(jī)。在應(yīng)用于電機(jī)的情況下，所述機(jī)器可以是單相或三相的。此外，描述的實(shí)施例涉及感性負(fù)載中電流的控制，但是本發(fā)明顯然適用于所述負(fù) 載的端子間的電壓的控制。此外，我們已經(jīng)描述了其中將FPGA編程以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用；也可以通過(guò)使用布 線邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)此狀態(tài)機(jī)。注意，已經(jīng)在使用MOSFET晶體管的情況下具體描述了本發(fā)明；也可以使用其它類(lèi) 型的晶體管(例如IGBT)而不脫離本發(fā)明的框架。最后，任何裝置可以由等效裝置替代。
權(quán)利要求
一種用于控制電控制部件(110)中的電流或所述電控制部件的端子間的電壓的電路(100、200、300、400、600、700)，所述電路包括-電橋，具有四個(gè)端子(105、106、107、108)并且包括四個(gè)控制開(kāi)關(guān)(AH、AL、BH、BL)，-用于所述電橋的電源(109)，-利用脈沖寬度調(diào)制控制所述四個(gè)開(kāi)關(guān)中的至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)的裝置，所述電源(109)連接在所述電橋的第一端子(105)和第二端子(106)之間，所述電控制部件(110)連接在所述電橋的第三端子(107)和第四端子(108)之間，第一開(kāi)關(guān)(AH)連接在所述電橋的所述第一端子(105)和所述第三端子(107)之間，第二開(kāi)關(guān)(BH)連接在所述電橋的所述第一端子(105)和所述第四端子(108)之間，第三開(kāi)關(guān)(AL)連接在所述電橋的所述第三端子(107)和所述第二端子(106)之間，第四開(kāi)關(guān)(BL)連接在所述電橋的所述第四端子(108)和所述第二端子(106)之間，所述控制電路的特征在于，它呈現(xiàn)-第一狀態(tài)，其中所述第一開(kāi)關(guān)(AH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)閉合，并且所述第二開(kāi)關(guān)(BH)和第三開(kāi)關(guān)(AL)斷開(kāi)，-第二狀態(tài)，其中所述第二開(kāi)關(guān)(BH)和第三開(kāi)關(guān)(AL)閉合，并且所述第一開(kāi)關(guān)(AH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)斷開(kāi)，-以下兩個(gè)狀態(tài)中的至少一個(gè)○第三狀態(tài)，其中所述第三開(kāi)關(guān)(AL)和第四開(kāi)關(guān)(BL)閉合，并且所述第一開(kāi)關(guān)(AH)和第二開(kāi)關(guān)(BH)斷開(kāi)，○第四狀態(tài)，其中所述第一開(kāi)關(guān)(AH)和第二開(kāi)關(guān)(BH)閉合，并且所述第三開(kāi)關(guān)(AL)和第四開(kāi)關(guān)(BL)斷開(kāi)；所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置授權(quán)-從所述第一狀態(tài)到所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，-從所述第二狀態(tài)到所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，-從所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)到所述第一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，-從所述第三或第四狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)到所述第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
2.如前一權(quán)利要求所述的控制電路(300、400、600、700)，其特征在于，所述脈沖寬度 調(diào)制控制裝置授權(quán)_第一所謂的負(fù)交替階段，包括從所述第一狀態(tài)到所述第三狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和從所述第三 狀態(tài)到所述第一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，所述第一開(kāi)關(guān)(AH)和第三開(kāi)關(guān)(AL)形成第一臂，稱(chēng)為幅度臂 (A)，以所謂的斬波頻率切換，并且所述第二開(kāi)關(guān)(BH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)形成第二臂，稱(chēng)為符 號(hào)臂(B)，所述第二開(kāi)關(guān)(BH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)分別閉合和斷開(kāi)，_第二所謂的正交替階段，包括從所述第二狀態(tài)到所述第四狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和從所述第四 狀態(tài)到所述第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，所述第一開(kāi)關(guān)(AH)和第三開(kāi)關(guān)(AL)以所述所謂的斬波頻率 切換，并且所述第二開(kāi)關(guān)(BH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)分別斷開(kāi)和閉合，所述符號(hào)臂(B)的所述第二開(kāi)關(guān)(BH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)的切換確保以低于所述斬波頻 率的頻率在所述負(fù)交替和正交替之間轉(zhuǎn)變。
3.如前一權(quán)利要求所述的控制電路(400)，其特征在于，它包括串聯(lián)連接在所述電控 制部件(110)和所述第四端子(108)之間的旁路電阻器(201)。
4.如前一權(quán)利要求所述的控制電路(400)，其特征在于，它包括運(yùn)算放大器(202)，所 述旁路電阻器(201)的端子形成所述運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端。
5.如權(quán)利要求2到4中的一個(gè)所述的控制電路，其特征在于，它包括_電荷泵電容器(503)，當(dāng)被充電時(shí)，其適合于輸送用于所述第二開(kāi)關(guān)(BH)的控制電壓；-第二電源(501)，輸送小于由所述第一電壓源輸送的電壓的電壓，所述第二電壓源適 用于在所述第四開(kāi)關(guān)(BL)閉合時(shí)為所述電荷泵電容器充電；-用于在所述控制電路處于正交替階段時(shí)強(qiáng)迫從所述第四狀態(tài)到所述第三狀態(tài)的轉(zhuǎn)變 以使得所述電荷泵電容器經(jīng)由所述第二電源被再充電的裝置。
6.如權(quán)利要求2到5中的一個(gè)所述的控制電路(700)，其特征在于，所述控制裝置包括-用于產(chǎn)生具有占空系數(shù)α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置(701、702、703)； _用于將所述具有占空系數(shù)為α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第三開(kāi)關(guān)(AL)以 及將具有占空系數(shù)為l-α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第一開(kāi)關(guān)(AH)的裝置(705、 706)；-用于在正交替和負(fù)交替之間周轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)機(jī)的裝置(708) 〇當(dāng)所述電橋處于它的正交替并且占空系數(shù)α被消除時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到狀態(tài)變化 并且轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)交替，〇當(dāng)所述電橋處于它的負(fù)交替并且占空系數(shù)α等于100%時(shí)，該狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到狀態(tài)變 化并且轉(zhuǎn)變?yōu)檎惶妗?br> 7.如前一權(quán)利要求所述的控制電路(700)，其特征在于，所述電源輸送DC電壓+UD。，所 述控制電路包括_用于在所述正交替期間將等于乘積α XUD。的平均電壓施加到所述電控制部件的裝 置(705)；_用于在所述負(fù)交替期間將等于乘積(α -1) XUdc的平均電壓施加到所述電控制部件 的裝置(706)；
8.如權(quán)利要求2到5中的一個(gè)所述的控制電路(800)，其特征在于，所述控制裝置包括-用于產(chǎn)生具有占空系數(shù)α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置(801、802、803)； -用于將所述具有占空系數(shù)α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有占空系數(shù)α ‘= 2 α _1|的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的裝置(809)；-用于在所述正交替期間將所述具有占空系數(shù)為α'的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所 述第三開(kāi)關(guān)(AL)以及將具有占空系數(shù)為l-α ‘的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第一開(kāi)關(guān) (AH)的裝置(805)；-用于在所述負(fù)交替期間將所述具有占空系數(shù)為l-α ‘的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到 所述第三開(kāi)關(guān)(AL)以及將具有占空系數(shù)為α ‘的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)施加到所述第一開(kāi)關(guān) (AH)的裝置(806)；-用于在正交替和負(fù)交替之間周轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)機(jī)的裝置(808) 〇當(dāng)所述電橋處于它的正交替并且所述占空系數(shù)α嚴(yán)格小于50%時(shí)，所述狀態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài)變化并且轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)交替。〇當(dāng)所述電橋處于它的負(fù)交替并且所述占空系數(shù)α大于或等于50%時(shí)，所述狀態(tài)機(jī) 檢測(cè)狀態(tài)變化并且轉(zhuǎn)變?yōu)檎惶妗?br> 9.如前一權(quán)利要求所述的控制電路(800)，其特征在于，所述電源輸送DC電壓+UD。，所 述控制電路包括用于在所述正交替期間和在所述負(fù)交替期間將等于乘積(2 α -1) XUdc的 平均電壓施加到所述電控制部件的裝置。
10.如權(quán)利要求7或8中的一個(gè)所述的控制電路，其特征在于，所述用于將所述具有占 空系數(shù)α的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有占空系數(shù)α ‘ = 2α-1的脈沖寬度調(diào)制信號(hào) 的裝置包括-用于執(zhí)行占空系數(shù)等于50%的信號(hào)與占空系數(shù)為α的所述信號(hào)之間的減法的裝置；-用于將由所述減法獲得的信號(hào)加倍的裝置。
11.如前一權(quán)利要求所述的控制電路，其特征在于，所述用于執(zhí)行占空系數(shù)等于50% 的信號(hào)與所述占空系數(shù)為α的信號(hào)之間的減法的裝置是執(zhí)行異或邏輯函數(shù)的裝置，在它 的兩個(gè)輸入端上分別具有所述占空系數(shù)等于50%的信號(hào)和所述占空系數(shù)為α的信號(hào)。
12.如權(quán)利要求10或11中的一個(gè)所述的控制電路，其特征在于，所述用于將由所述減 法獲得的信號(hào)加倍的裝置包括至少一個(gè)計(jì)數(shù)器。
13.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的控制電路，其特征在于，所述控制裝置包括在可編 程邏輯電路中。
14.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的控制電路，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)是MOSFET晶體管。
15.一種如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的控制電路在由具有可變電感的感性負(fù)載形成 的電部件中的用途。
16.如前一權(quán)利要求所述的用途，其特征在于，所述電部件包含在具有致動(dòng)零件的致動(dòng) 器中，所述電部件以位移方式控制所述致動(dòng)零件。
17.如前一權(quán)利要求所述的用途，其特征在于，所述致動(dòng)器是用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的電磁閥致 動(dòng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制電控制部件(110)中的電流的電路(300)，包括電橋，具有四個(gè)端子(105、106、107、108)且包括四個(gè)控制開(kāi)關(guān)(AH、AL、BH、BL)；電源(109)；利用MLI控制四個(gè)開(kāi)關(guān)中的至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)的裝置。該控制電路呈現(xiàn)第一狀態(tài)，其中第一開(kāi)關(guān)(AH)和第四開(kāi)關(guān)(BL)閉合，且第二開(kāi)關(guān)(BH)和第三開(kāi)關(guān)(AL)斷開(kāi)；第二狀態(tài)，其中第二開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)閉合，且第一開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；和以下兩個(gè)狀態(tài)中的至少一個(gè)第三狀態(tài)，其中第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)閉合，且第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；和/或第四狀態(tài)，其中第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)閉合，且第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。本發(fā)明的特別有意義的應(yīng)用在于控制用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛中的“無(wú)凸輪”系統(tǒng)的致動(dòng)器的電流。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK101889387SQ200880119482
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者吉?jiǎng)谀贰た疾? 多米尼克·杜普伊斯, 朱利恩·霍布萊克 申請(qǐng)人:法雷奧電機(jī)控制系統(tǒng)公司