基于有限狀態機的采樣保持控制策略的實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采樣保持控制策略的實現方法，具體講是一種基于有限狀態機的采樣保持控制策略的實現方法，屬于電流調制領域。
【背景技術】
[0002]磁懸浮軸承(簡稱磁軸承)利用可控電磁力對轉子各自由度的位移進行控制，實現對轉子的懸浮定位，因而具有低摩擦、低損耗、高轉速、無需潤滑等優點。在磁軸承的控制系統中，開關型功率放大器(簡稱開關功放)的作用就是將控制信號轉換成線圈中具有驅動能力的電流信號，在磁軸承控制系統中屬于執行機構，起著關鍵作用。除磁軸承鐵心外，磁軸承系統的主要損耗由開關功放產生，其引入電流振蕩的固有特點是引起損耗的主要原因，因此降低電流振蕩是磁軸承開關功放設計中的關鍵問題之一。
[0003]經研宄發現，電流三態調制技術能夠很好地滿足磁軸承系統對開關功放的要求，其中包括有三態脈寬調制(PWM)、三態滯環比較、三態采樣保持等諸多控制策略。采用采樣保持策略的開關功放具有控制簡單、動態響應快、頻帶寬、受負載影響小等優點，能夠很好地適用于磁軸承控制系統。當然，由于采樣保持控制策略為電流調制的一種方式，因此也可以廣泛應用在諸多電流調制的電力電子功率變換器中。
[0004]三態調制的采樣保持控制策略是一種逐周期調整的控制方法，目的在于控制實際電流實時跟蹤給定信號，其原理是:在每個采樣時鐘的上升沿，采樣保持器檢測電流跟蹤誤差的極性，觸發相應的功率器件，此時開關功放處于儲能狀態(充電)或能量回饋狀態(放電)來跟蹤給定信號，這種狀態一直持續到下一個誤差極性信號跳變的產生或本周期的結束；若在同一個周期內誤差極性已經跳變，則開關功放切換到能量續流狀態。以往，實現該調制過程的方法是通過兩級D觸發器以及組合邏輯電路來實現的，雖然大量的實踐證明了該方法的有效性，但是由于時序邏輯與組合邏輯相結合的電路復雜性，使得電路工作原理不易理解；且在此基礎上若想對調制方式進行改進或對電路功能進行增加與完善，則變得極為復雜，甚至可能需要推翻原有的電路結構進行重新設計，這將大大增加控制系統設計的復雜性。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術缺陷，提供一種結構原理簡單、實現容易，可擴展性強的基于有限狀態機的采樣保持控制策略的實現方法。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明提供的基于有限狀態機的采樣保持控制策略的實現方法，包括以下步驟:
1)確定基于有限狀態機的采樣保持控制策略的各工作狀態，所述工作狀態包括正、反向的充電、續流和放電；
2)依據采樣保持控制策略的原理，確定各工作狀態之間的轉換順序與轉換條件；
3)根據步驟2)確定的各工作狀態之間的轉換順序及條件，確定有限狀態機的輸入和輸出信號；
4)仿真驗證分析有限狀態機各工作狀態的轉換順序和時機是否與設定相符；若相符則進行下一步，若不符則重復執行步驟I)至步驟4)進行修正；
5)依據步驟4)驗證后的有限狀態機的輸入和輸出信號設計硬件電路。
[0007]上述步驟2)的具體過程為:
2.1)在時鐘周期上升沿，若電流誤差信號大于0，根據給定電流的極性信號判斷充電或放電，即給定電流為正向電流時，電流誤差為正即充電，為負即放電；給定電流為反向電流時，電流誤差為正即放電，為負即充電；所述電流誤差等于給定電流減反饋電流；
2.2)在本時鐘周期內，若電流誤差信號發生變化，則充電/放電轉為續流狀態；
2.3)在下一個時鐘周期上升沿，繼續依據2.1)選擇充、放電狀態；以此在充電、續流、放電三者之間相互轉換；
2.4)若給定電流的極性發生變化，則在正向放電至反向充電或者反向放電至正向充電間進行轉化。
[0008]作為優選，若在續流過程中電流誤差信號發生再翻轉，則繼續保持續流至本時鐘周期結束。
[0009]作為優選，所述工作狀態還包括復位狀態，當過流或過壓時由其他工作狀態轉換至復位狀態。
[0010]本發明的有益效果在于:(1)由于有限狀態機的形式與采樣保持控制策略的原理更為相近，因此更易理解、易于實現和修正，控制更加便捷；(2)若要對調制方式、電路功能等進行增加與完善，可以在原有有限狀態機的基礎上修改狀態或狀態轉換條件即可，其拓展性能強，無需進行重新設計，大大降低成本，提高了實現效率；(3)實現有限狀態機所用的FPGA芯片可以同時為控制系統提供邏輯運算、并行處理等輔助功能。
【附圖說明】
[0011 ] 圖1為實施例中永磁偏置磁軸承全橋式開關功放拓撲結構；
圖2為三態采樣保持控制策略工作情形I主要波形；
圖3為三態采樣保持控制策略工作情形2主要波形；
圖4為三態采樣保持控制策略各開關狀態間的轉換順序；
圖5為改進型三態采樣保持控制策略工作情形的主要波形；
圖6為改進型三態采樣保持控制策略有限狀態機；
圖7為具有保護功能的三態采樣保持控制策略有限狀態機；
圖8為基于有限狀態機的采樣保持控制的功率變換器系統結構圖；
圖9為基于有限狀態機的采樣保持控制策略仿真波形；
圖10為基于有限狀態機的采樣保持控制策略實驗波形；
圖11為基于有限狀態機的采樣保持控制策略實驗波形局部圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0013]現以適用于永磁偏置磁懸浮軸承的開關功放為例，將本發明技術方案的實施步驟進行詳細闡述。此外，由于采樣保持控制策略是電力電子功率變換器進行電流調制的一種方式，因此本實施例中所闡述的實施步驟能夠廣泛適用于不同應用場合下的多種功率變換器。
[0014]對于永磁偏置磁懸浮軸承而言，其要求感性的線圈能夠流過雙極性電流，因此多用圖1所示的全橋式開關功放作為功率變換器的拓撲結構，該結構具有4個開關管，因而狀態較多。磁軸承開關功放的作用在于，使線圈中的實際電流實時地跟蹤給定電流，以提供所希望產生的懸浮力。那么，依據采樣保持控制策略的原理:“在每個采樣時鐘的上升沿，采樣保持器檢測電流跟蹤誤差的極性，觸發相應的功率器件，此時開關功放處于儲能狀態或能量回饋狀態來跟蹤給定信號，這種狀態一直持續到下一個誤差極性信號跳變的產生或本周期的結束；若在同一個周期內誤差極性已經跳變，則開關功放切換到能量續流狀態。”因此，本發明實現方法包括以下步驟:
步驟一、確定有限狀態機的各狀態
從物理意義上劃分，負載線圈中有3種工作狀態:充電、放電和續流。而考慮到線圈中電流流向的雙極性，需要細分這3種工作狀態。例如:定義圖1中線圈處箭頭方向為正方向，那么電流為正向流動時，充電狀態需要Q1、Q4管導通；而電流為反向流動時的充電狀態是Q2、Q3管導通。因此，工作狀態需要細分為以下6種:正向充電1001，正向續流0001，正向放電0000，反向充電0110，反向續流0100，反向放電0000。其中4位序列的數字代表Ql至Q4開關管，其中I代表導通，O代表關斷。
[0015]步驟二、確定有限狀態機的各狀態轉換順序及轉換條件
要依據采樣保持控制策略的原理，明確在何種條件下功率變換器應處于何種工作狀態。定義給定電流為SET，其極性信號為ORI，反饋電流為FED，電流誤差(SET減FED)極性信號為ERR，時鐘為elk。
[0016]先以給定為正向電流為例，進行分析。由控制策略原理，可以得到給定電流為正時的主要波形，如圖2所示，這里為了標示清楚，ERR的變化有較大滯后，但在實際電路中的滯后較小。具體分析如下:在elk上升沿，若SET大于FED，即ERR大于0，則線圈需要充電；充電過程中，在同一 elk周期內，若誤差極性ERR發生翻轉，則線圈進入續流狀態；若在續流過程中ERR始終小于0，并等到了 elk下一周期的上升沿，那么此時需線圈放電；此后，在elk同周期內，若ERR翻轉為大于0，則再次續流；等到elk下一周期的上升沿，線圈充電。由此往復，在充電、續流、放電三個狀態間相互轉換，由圖2中?皮形圖可見，實際電流即可隨時跟蹤給定。
[0017]在給定為反向電流時，由控制策略原理，可以得到給定電流為負時的主要波形，如圖3所示。具體分析如下:在elk上升沿，若SET大于FED，即ERR大于0，則線圈需要放電；放電過程中，在同一 elk周期內，若誤差極性ERR翻轉，則線圈進入續流狀態；若在續流過程中ERR始終小于0，并等到了 elk下一周期的上升沿，那么此時需線圈充電；此后，在elk同周期內，若ERR翻轉為大于0，則再次續流；等到elk下一周期的上升沿，線圈放電。由此往復，在充電、續流、放電三個狀態間相互轉換，由圖3中?皮形圖可見，實際電流即可隨時跟蹤給定。
[0018]此外，如果在給定電流SET為正的前提下變為給定電流SET為負，