滯環(huán)型窗口比較器的設(shè)計(jì)與精確計(jì)算

王凌峰，梁寶明

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滯環(huán)型窗口比較器的設(shè)計(jì)與精確計(jì)算

王凌峰，梁寶明

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所， 武漢 430064）

窗口比較器已廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中信號(hào)檢測(cè)與控制。本文闡述了滯環(huán)型窗口比較器的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用于變頻控制中的優(yōu)勢(shì)，提出了滯環(huán)型窗口比較器的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)該比較器不同模式的電路模型，進(jìn)行了詳細(xì)分析和精確計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性和精確性。

滯環(huán)窗口比較器電機(jī)調(diào)速 PI控制

0 引言

在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，窗口比較器已被廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理與控制，如對(duì)變頻調(diào)速輸出交流電流的檢測(cè)及PI控制等。但是對(duì)于緩慢變化的輸人信號(hào)，當(dāng)其接近正向門限電平或負(fù)向門限電平時(shí)，疊加在信號(hào)上的紋波或干擾信號(hào)會(huì)使比較器產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，這就是所謂的比較器“振鈴”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致控制上的頻繁動(dòng)作，甚至出現(xiàn)控制振蕩或失調(diào)。采用滯環(huán)型窗口比較器可有效解決這類問(wèn)題，滯環(huán)比較器在正向和負(fù)向分別具有兩個(gè)門檻電壓值，可以濾除一些干擾信號(hào)；利用滯環(huán)比較器設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)用于控制方面時(shí)，有別于常規(guī)PI控制器的最大優(yōu)點(diǎn)是它不依賴于被控對(duì)象的參數(shù)，即使參數(shù)是時(shí)變的，整個(gè)系統(tǒng)的性能也不受影響。另一方面，滯環(huán)比較器閾值的常規(guī)計(jì)算方法為估算方法，計(jì)算的閾值與電路實(shí)際工作時(shí)的閾值相比存在一定偏差。

本文將圍繞滯環(huán)型窗口比較器的設(shè)計(jì)展開(kāi)討論，并針對(duì)該比較器進(jìn)行工作模式分析和詳細(xì)計(jì)算，以提高閾值的設(shè)計(jì)精度，從而提高其應(yīng)用時(shí)的控制精度。

1 滯環(huán)型窗口比較器原理介紹

傳統(tǒng)的窗口比較器常用兩個(gè)比較器組成，它有兩個(gè)閾值電壓VTH（高閾值電壓）和VTL（低閾值電壓），與VTH及VTL比較的電壓Vin輸入到兩個(gè)比較器。如VTL≤Vin≤VTH，則Vo輸出高電平；若VinVTH，則Vo輸出低電平，電路圖及波形圖分別如圖1和圖2所示。從圖2可以看出，輸出電壓Vo有明顯的“振鈴”現(xiàn)象。

本文設(shè)計(jì)的滯環(huán)型窗口比較器電路圖如圖3所示。電路中增加了R5和R6的正反饋電阻，用于產(chǎn)生比較輸出的遲滯效果；當(dāng)V為交流電壓時(shí)，要求V為正電壓（如+15 V），V為負(fù)電源（如-15 V），為實(shí)現(xiàn)V輸出邏輯電平以兼容后端數(shù)字電路，需要對(duì)V進(jìn)行反向截止和分壓處理。圖中，V為比較器芯片輸出級(jí)三極管等效導(dǎo)通壓降，Vd2為串聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降，為閾值設(shè)置的參考電壓源，為匹配后端電路的參考電壓源，通常可令V1=V4=+VV2=V5=-VV3=V=0 V，=∞。

上述電路遲滯示意圖及輸出V波形分別如圖4、圖5所示，其中V可兼容后端數(shù)字電路的邏輯電平（V=()()，令=∞）。由圖5可看出，圖2中出現(xiàn)的“振鈴”現(xiàn)象已消失。

2 等效模型及分析計(jì)算

通過(guò)電路不同工作模式下等效模型分析的方式，進(jìn)行對(duì)電路閾值的精確計(jì)算。當(dāng)V≤Vp時(shí)，U1輸出級(jí)三極管截止，節(jié)點(diǎn)電路如圖6（a），有如下節(jié)點(diǎn)電壓方程：

對(duì)方程組求解得：

當(dāng)V逐步增大至V>V時(shí)，U1輸出級(jí)三極管導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)電路如圖6（b），有如下節(jié)點(diǎn)電壓方程：

求解后得：

根據(jù)式（1）～式（5）可得：

因此得：

綜上述，式（6）~式（9）即為4個(gè)閾值點(diǎn)的計(jì)算公式，其中G1～G11為R1～R11的導(dǎo)數(shù)，公式中各系數(shù)含義如下：

3 典型應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)

圖7為本文設(shè)計(jì)的實(shí)際電路，該電路應(yīng)用于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中輸出電流的閉環(huán)控制。

選取圖中所示各參數(shù)，根據(jù)式（6）～（9）理論計(jì)算閾值與實(shí)測(cè)閾值對(duì)比如表1：

實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示：

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種滯環(huán)型窗口比較器，消除了比較器“振鈴”現(xiàn)象，防止控制上的頻繁誤動(dòng)作或振蕩失調(diào)，尤其是對(duì)該窗口比較器進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和精確計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明該電路設(shè)計(jì)和計(jì)算精度均達(dá)到了預(yù)期效果，可廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速等領(lǐng)域的檢測(cè)與控制系統(tǒng)中。

[1] 康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社，2001.

[2] 陳軍, 夏漢初, 龔晶. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)(模擬電路部分)[M]．南京: 解放軍理工大學(xué)理學(xué)院, 2007.

Design and Precise Calculation of Hysteresis Window Comparator

Wang Lingfeng, Liang Baoming

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China )

TM921

A

1003-4862（2014）07-0056-03

2014-04-02

王凌峰（1974-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電子技術(shù)。