專利名稱：高精度交流恒流恒壓控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自動化控制中通過調節可控硅來實現交流電流或電壓有效值的高精度恒流或恒壓控制方法及裝置。
目前在自動化控制領域中大多數控制儀表及工業控制用可編程控器的輸出控制信號都屬小功率的弱信號范圍，因此要求配接一個功率轉換器才能實現對大功率的交流設備進行控制，而現有的交流功率轉換器其轉換精度都非常低，它們都按輸入的控制信號直接決定可控硅觸發量，再由可控硅去完成大功率輸出，這種控制方法的缺點是轉換精度非常低，不具有輸出恒流或恒壓等功能，在遇到電壓波動，頻率漂移，負載阻抗變化等的干擾時就會產生失控現象。用這種方法設計制造的功率轉換器代表產品由上海自動綸儀表六廠生產的ZK系列可控硅調整器。
本發明的目的是提供一種通過調節可控硅來實現交流電流或電壓有效值的高精度恒流或恒壓控制方法及裝置。
恒流控制是用電流互感器采樣負載上的電流，恒壓控制是用電壓互感器采樣負載上的電壓。其他控制方法相同，故而下面一般只介紹恒流控制的方法。
一種高精度交流恒流控制方法，其步驟為(1)由電流互感器采樣檢測到交流電流信號經放大將它變換成絕對值信號，然后用雙積分A/O采樣這個絕對值的積分值，用2個計數器分別對一次積分和二次積分計時，使得一次積分時間等于交流周期的整數倍n，讀出這二個計數器中的值，就得到交流信號積分值和交流周期值;
(2)在微機中輸入要求目標交流電流有效值，和可以選擇的觸發方式，它們分別為移相觸發、過零觸發、軟起動方式;按照輸入目標及采樣得到的積分值，按照以下公式在微機中算得可控硅的觸發量即移相角或可控硅通斷比例值，移相觸發的計算公式為Ar =ApK2(1-φπtSin2φ2π)1/2(1)]]>移相時間tc＝ (φ)/(2π) T (2)式中Apk-電流峰值;
T-交流周期;
φ-移相角;
Ar-電流有效值;
過零觸發的計算公式為(M)/(M+N) ＝( (Ao)/(Ai) )2(3)式中M-導通周波數;
M-關閉周波數;
Ao-要求輸出目標電流有效值;
Ai-負載上電流有效值。
用最大公約數同時縮小M和N，提高響應速度。
注將公式中的各種電流值發改成相應的電壓值就是恒壓控制的方式。
(3)觸發量tc1M和N分別送觸發計數器經延時或定量計數后去觸發可控硅;
整個恒流過程就是不斷重復上述步驟，采樣-運算-計數-觸發始終保持所要求的恒定電流目標值。
在負載電流變化很大的場合，采用軟起動方式即移相觸發和過零觸發交叉使用，當采樣到全導通電流大于1.3倍額定值時，采用移相方式工作，它可避免大電流沖擊，反之就切換到過零觸發方式工作，可以清潔電網，還有在Ai/Ao比較大，而工作頻率比較低，過零觸發的分辨能力達不到精度指標時自動切換到移相觸發方式工作，但如果工作頻率大于960Hz時移相觸發的分辨率精度太低，這時可自動切換到過零觸發方式工作，內部時鐘的頻率受到一定制約，可選用1.5MHz時鐘，它對50Hz工頻的移相分辨率為1/15000，而在同樣工頻下過零觸發的分辨率為1/2000，這是因為M+N的總量如取得過大，將會使循環周期太長，影響控制的實時性，但隨著電源頻率的增高，過零觸發的分辨能力反過來比移相觸發越來越好，故而大于400Hz應選用過零觸發，大于960Hz就不能用移相觸發了，這種過零觸發和移相觸發在本發明的裝置中能自動切換。
按照上述方法所設計的恒流控制裝置，它包括微處理機、鍵盤、顯示器、存儲器、雙積分采樣電路、一次積分計數器、二次積分計數器、A/O控制器、觸發定時/計數器，可控硅觸發器、多路開關、放大器和絕對值電路、微型繼電器;在負載電路中串接電流或電壓互感器，其付邊繞組通過微型繼電器的接點與放大和絕對值電路連接，放大與絕對值電路與多路開關相連接，由互感器檢測到的交流信號經放大并變換成絕對值信號，經多路開關由雙積分A/O采樣電路采樣，由一次積分計數器及二次積分計數器計時，微處理機通過內部總線與A/O控制器及觸發定時/計數器連接，觸發定時/計數器輸出經光電耦合器到可控硅觸發器，其輸出觸發大功率可控硅。
本發明實施例結合附圖作詳細說明。
圖1為高精度恒流控制方法程序框圖;
圖2為高精度恒流控制裝置電路框圖;
圖3為高精度恒流控制裝置線路原理圖。
由圖1、2所示，首先初始化，然后由電流互感器采樣交流電流和周期信號，信號經放大和絕對值電路經多路開關，由雙積分A/O采樣這個絕對值，由一次積分、二次積分計數器計時，就得到交流信號積分值和交流周期值，詢問一下是否有故障，有故障報警，無故障，用鍵盤在微機中輸入要求輸出電流的有效值和觸發方式，根據采樣值和要求輸出值，根據公式(1)、(2)、(3)由微處理機計算出可控硅的觸發量。若用移相觸發本發明可在3°～177°范圍內精確移相，計算得到的觸發量延遲時間是由觸發計數器對內部時鐘信號計數后得到。若采用過零觸發，算出導通周波數M和關閉周波數N，在滿足控制精度提前下同時縮減M和N，這樣可以加快調節速度，由計算得到的觸發量送緩沖器和觸發計數器經過對同步脈沖的計數后去觸發可控硅工作。
根據高精度恒流控制方法而設計的恒流控制裝置由圖2所示，它包括微處理機、鍵盤、顯示器、存儲器、雙積分采樣電路、一次積分計數器、二次積分計數器，A/O控制器、觸發定時/計數器、可控硅觸發器、多路開關、放大和絕對值電路、微型繼電器，在負載電路中串接的電流或電壓互感器，其付邊繞組通過微型繼電器的接點與放大和絕對值電路連接，放大和絕對值電路與多路開關相連接，由互感器檢測到的交流信號經放大并變換成絕對值信號，經多路開關由雙積分A/O采樣電路采樣，由一積分計數器及二次積分計數器計時，微處理機通過內部總線與A/O控制及觸發定時/計數器連接，觸發定時/計數器輸出經光電耦合器到可控硅觸發器，其輸出觸發大功率可控硅。
圖3表示實施例具體線路圖，輸入采樣部分表示三相電流的采樣線路，輸出部分在圖3中只表示了單相的線路，對于多相觸發只是由多個相同的單相線路組合而成。
由圖3所示，J1～J6為微型繼電器，它們用來切換輸入信號，P1～P5為運算放大器，P6為比較器，由運放P1、電容C1、電阻R2～R4組成一個放大器，運放P2、P3和電阻R5～R9電位器M及二極管O1、O2組成絕對值電路，N用來調節正負信號放大的對稱性，I2和I3組成對繼電器的選通電路。多路開關I1用來切換輔助信號，由P4、P5、R10、C2組成的積分電路及比較器P6組成雙積分采樣電路，經R11、R12分壓產生負電平加到積分器上，使得其他電路的零偏相對積分器都為正信號，比較器P6用來檢測二次積分的終止，R13和R14組成正反饋電路加速比較器反轉，雙積分采樣電路與多路電子開關I4連接，積分信號的選擇由I4切換，I4由EPROM板I5控制，由I5、I7及步進計數器I6連接成A/O控制器，I7中的TIME(定時/計數器)對同步脈沖進行預分頻，然后送到步進計數器I6中步進控制I5。I5是一塊EPROM，它有12根地址線和8根輸出線，對應每一個地址輸出一組邏輯信號，這些信號用來控制I4選擇積分信號，控制I8分別計數一次積分時間和二次積分時間，完成二次積分后，封鎖I6(不再步進)和產生A/O中斷信號。
A/O采樣的信號有二種大信號0～1V，它直接送到I4的輸入端，還有一種小信號0～70mV，它們經放大后送到I4的輸入端，與大小信號對應的二種基準信號分別為0.6～0.9V，50～65mV，采樣中先對各采樣值(正電平信號)進行一次積分，積分時間由A/O控制器來控制，它總是取同步脈沖的2n倍，并用一次積分計數器來記錄一次積分時間，當步進器I6步進到預定位置時就開始了二次積分工作，二次積分對負基準信號進行積分，二次積分的時間由二次積分計數器來計數，I8為8253可編程序計數器它包括了一次積分計數器和二次積分計數器，當比較器P6反轉就完成了采樣任務。
為使A/O采樣部分高精度低成本，本發明采用軟件、硬件結合的自動零偏補償和基準信號的自動校準，其工作步驟如下a、選通一個微型繼電器，關閉多路開關I1，測量一次外部信號值Vx，經積分計數得到積分值txib、關閉所有微型繼電器，接通多路開關I1的零偏通道，測量一次零偏信號Vo，經積分計數器得到積分值to;
c、關閉所有微型繼電器，接通連接I1的某一個內部基準信號，測量一次內部基準信號的絕對值VE，經積分計數器得其積分值tE;
d、用以下公式計算Vx，Vx = VEtx- totE- to(4)]]>從公式(4)中看出所有零偏都得到完全補償，故而對元器件要求很低，Vx的精度只取決于VE的精度，與回路增益無關，因此在A/O回路中只需要一些固定電阻，而不用電位器。由于固定電阻的穩定性和可靠性都比電位器好，這樣提高了整機的質量。
為了徹底消除電源工頻對A/O的干擾，采用了一次積分的時間與電網周期同步的方法，并且記錄一次積分的時間，也即為采樣交流周期，由于電網周期是一個變量，故而公式(4)中的積分值也要預先進行修正，tx＝tx′ (K)/(Tx) (5)式中Tx-一次積分時間計數值;
t′x-二次積分時間計數值;
K-常數，可取30000(1.5MHz時鐘，對應20ms);
tx-折算后的二次積分值。
由圖2所示，基準信號發生器由I15與電阻R17～R19組成，基準信號由固定電阻分壓得到的，通過計算可以得到基準信號的標稱值VE′，在外部接一個信號用高精度儀表測出其精確值Vx，用校準命令采樣這個信號，用VE′代入(4)式，計算出Vx′，并在顯示器顯示出來，如果這個顯示值與高精度儀表測量得到的精確值有誤差，就用鍵盤修改鍵加以修正，使它等于準確的Vx值，修正完通知微處理機，微處理機就按照下式校準VE值。
VE＝VE′ (Vx)/(V′x) (6)有了這一精確的VE值，用公式(4)就能計算得到精確的Vx值，這樣就得到成本低精度高的A/O采樣電路。
本實施例的輸出觸發部分由集成電路I9～I14以及光電耦合器、高靈敏可控硅及電阻R15、R16連接而成，I14為觸發計數器，計數器的啟動由I7控制，對什么量進行計數由I10來選擇，移相觸發是對內部時鐘進行計數，過零觸發是對同步脈沖計數，計數結束在I14的輸出端產生一個脈沖信號產生一次輸出中斷并能觸發I13緩沖后去驅動光電耦合器，I11在交流波形的每個過零點發出一個同步脈沖，經光電耦合器送到I7等部件，I11接收經光電耦合器送來的觸發信號控制觸發高靈敏可控硅，其輸出觸發大功率可控硅工作。I11集成模塊為TO-2可控硅觸發器，它的Q端為同步脈沖輸出端，這個同步脈沖信號在移相觸發中用來同步觸發計數器的起始時間，在過零觸發中用來計數導通周波數M和關閉周波數N，這個同步信號還用來同步雙積分A/O的一次積分時間，使一次積分時間總是等于工頻的整數倍，以此來抑制電網對積分的干擾，對一次積分的時間進行計數，也就測得了正弦波的周期，這就是公式(3)中的周期T。TO-2可控硅觸發器，設置有兩個信號輸入端，一個是立即觸發端，移相方式中，延時時間一到就發出一個脈沖送到這個輸入端，TO-2立即產生一個觸發信號去導通可控硅;另一是過零觸發端，TO-2在正弦過零點采樣這個輸入端狀態，決定觸發可控硅導通還是關閉。
過零觸發在導通瞬時電感性負載≤0.2A;
電阻性負載≤3V。
這樣能保證輸出波形基本上還是正弦波。
本發明應用成功的例子是TCP系列多功能溫控儀，這個儀表主要用來控制電爐的溫度，它采樣從熱電偶送來的溫度信號經自適應算法求出需要控制的電流量，然后按本發明所用的控制方法及裝置對電流實現恒流控制。
本發明解決了交流信號的高精度采樣和控制的問題，能做到控制精度優于5×10-4;恒流范圍從幾安培至幾千安培，頻率為40Hz～40KHz，工作方式有移相觸發、過零觸發以及軟起動，本發明適用于各種對交流設備進行精確控制的場合。
權利要求
1.一種高精度交流恒流恒壓控制方法，其步驟為(1)可由電流互感器或電壓互感器采樣檢測到交流電流或交流電壓信號經放大將它變換成絕對值信號，然后用雙積分A/D采樣這個絕對值的積分值，用2個計數器分別對一次積分和二次積分計時，使得一次積分時間等于交流周期的整數倍n，讀出這二個計數器中的值，就得到交流信號積分值和交流周期值；(2)在微機中輸入要求目標交流電流或電壓有效值和可供選擇觸發方式它們分別為移相觸發方式、過零觸發方式、軟起動方式，按照輸入目標的有效值及采樣得到實測交流電流或電壓的積分值按照以下公式在微機中算得可控硅的觸發量即移相角或可控硅通斷比例值，移相觸發的計算公式為Ar =ApK2(1-φπtSin2φ2π)1/2(1)]]>移相時間t0= (Φ)/(2π) l (2)式中Apk-電流峰值；φ-移相角；T-交流周期；Aτ-電流有效值；過零觸發的計算公式為(N)/(N+N) =( (Ao)/(Ai) )2(3)式中N-導通周波數；N-關閉周波數；Ao-要求輸出目標電流有效值；Ai-負載上電流有效值。(3)觸發量tc1N和N分別送觸發計數器經延時或定量計數后去觸發可控硅；整個恒流恒壓過程就是不斷得得重復上述步驟，采樣-運算-計數-觸發，始終保持所要求的恒定電流、電壓目標值。
2.根據權利要求1所述的高精度恒流、恒壓控制方法，其軟起動方式為移相觸發和過零觸發交叉使用。
3.一種應用權利要求1所述方法而設計的恒流控制裝置，它包括微處理機、鍵盤、顯示器、存儲器、雙積分采樣電路、一次積分計數器、二次積分計數器、A/O控制器、觸發定時/計數器，可控硅觸發器、多路開關、放大和絕對值電路、微型繼電器，在負載電路中串接的電流或電壓互感器，其付邊繞組通過微型繼電器的接點與放大和絕對值電路連接，放大和絕對值電路與多路開關相連接，由互感器檢測到的交流信號經放大并變換成絕對值信號，經多路開關由雙積分A/O采樣電路采樣，由一次積分計數器及二次積分計數器計時，微處理機通過內部總線與A/O控制器及觸發定時/計數器連接，觸發定時/計數器輸出經光耦合器到可控硅觸發器，其輸出觸發大功率可控硅。
4.根據權利要求3所述的恒流控制裝置，其特征在于，J1～J6為微型繼電器，用來切換輸入信號，由運入P1、電容C1、電阻R2～R4組成一個放大器，運放P2、P3和電阻R5～R9，電位器M及二極管D1、D2組成絕對值電路。
5.根據權利要求3所述的恒流控制裝置，其特征在于，由多路開關I1、微型繼電器J1～J6、由P4、P5、R10、C2組成的積分電路以及比較器P6組成雙積分采樣電路，經R11、R12分壓產生負電平加到積分器上，使得其他電路的零偏相對積分器都為正信號，比較器P6用來檢測二次積分的終止，R13和R14組成正反饋電路加速比較器反轉，雙積分采樣電路與多路開關I4連接，積分信號的選擇由I4切換，I4由EPROM板I5控制，由I5、I7及步進計數器I6連接成A/O控制器，I7中的TIME(定時/計數器)對同步脈沖進行預分頻，然后送到I6中步進計數。
6.根據權利要求3所述的恒流控制裝置。其特征在于，輸出觸發部分由集成電路I9～I14以及光電耦合器、高靈敏可控硅及電阻R15、R16連接而成，I14為觸發計數器，計數器的啟動由I7控制，對什么量進行計數由I10來選擇，移相觸發是對內部時鐘進行計數，過零觸發對同步脈沖進行計數，計數結束在I14的輸出端產生一個脈沖信號產生一次輸出中斷并能觸發I13經I12緩沖后去驅動光電耦合器，I11在交流波形的每個過零點發出一個同步脈沖，經光電耦合器送到I7等部件，I11接收經光電耦合器送來的觸發信號控制觸發高靈敏可控硅，其輸出觸發大功率可控硅工作。
7.根據要求3、6所述的恒流控制裝置，其特征在于，I11為TO-2可控硅觸發器，其Q端為同步脈沖輸出端，另設置兩個信號輸入端，一個是立即觸發端，移相方式中，延時時間一到就發出脈沖送到這個輸入端，TO-2立即產生一個觸發信號去導通可控硅，另一個是過零觸發端，TO-2在正弦波過零點采樣這個輸入端狀態，決定觸發可控硅導通還是關閉。
全文摘要
本發明涉及一種高精度恒流恒壓控制方法及裝置。在微機管理下，輸入要求目標輸出交流電流有效值，采樣負載上的交流電流積分值和交流周期，按照有效值計算公式求出可控硅的觸發量，通過觸發計數器精確定時或計數后去觸發可控硅，如此不斷地循環工作，使負載的電流有效值恒定在要求輸出量上。本發明解決了對大功率交流信號的高精度采樣和控制的問題，響應頻率為40Hz～40kHz。將采樣電流互感器改為電壓互感器就是恒壓控制。
文檔編號G05F1/45GK1081521SQ9210850
公開日1994年2月2日 申請日期1992年7月20日 優先權日1992年7月20日
發明者羅建華 申請人:羅建華