[发明专利]感性负载的单极性梯形脉冲电流控制方法及装置

权利要求书

1.一种感性负载的单极性梯形脉冲电流控制方法，其特征在于该方法按以下顺序步骤进行：

(1).合上开关(S)，通过调节时序控制(3)，调节输出负载电流i_o(t)的频率，负载电流的周期须大于电子开关的开通、关断时间之和；

(2).恒流源控制电路(6)和恒流电感(2)构成一个恒流源，通过调节恒流源控制电路(6)中恒流源基准电压电路，设定恒流源电流幅值；

(3).调节负载电流控制电路(1)中负载电流基准电压电路，设定负载电流幅值；

(4).时序控制(3)的输出端、恒流源控制电路(6)的输出端和负载电流控制电路(1)的输出端，分别连接到驱动信号合成电路(7)的输入端，驱动信号合成电路(7)按驱动信号合成电路真值表1-1完成逻辑运算后，分别输出信号(Y₁)、(Y₂)到驱动电路(8)的两个输入端，驱动电路(8)的两个输出端分别连接到第一开关管(J₁)和第二开关管(J₂)的控制端；从而控制开关管的导通和关断，按设定频率输出脉冲电流，并使恒流源输出的电流以及负载电流都稳定在设定值；

驱动信号合成电路真值表1-1

表中：

1-表示高电平；               0-表示低电平；

K₀-开关使能时序信号；        K₁-负载电流周期信号；

K₂-恒流源控制电路输出信号；  K₃-负载电流控制电路输出信号；

Y₁-驱动信号合成电路输出端信号；

Y₂-驱动信号合成电路另一输出端输出信号；

(5).设定上升钳位器件(9)的恒压钳位电压(V₁)，从而改变发射电流上升沿的斜率，(V₁)远大于(V_S)，使上升沿线性上升，(V₁)须小于所有开关管、所有二极管的最小额定耐压；

(6).按公式③设定下降钳位器件(10)的恒压钳位电压(V₂)，从而改变发射电流下降沿的斜率，使下降沿线性下降；

在t₀时刻：恒流电感(2)中的电流达到设定值；

在t₀～t₁期间：第一开关管(J₁)关断，第二开关管(J₂)导通，恒流源与负载电感接通，负载电流开始上升，上升沿恒压钳位电路(4)开始工作，给负载提供上升沿恒压钳位电压(V₁)，V₁远大于直流电源电压(V_S)，负载电流由零线性上升到I；

在t₂～t₃期间：开关使能时序信号(K₀)为高电平1，第一开关管(J₁)、第二开关管(J₂)允许开关动作，负载电流控制电路(1)中的负载电流采样电路转换i_o(t)为电压信号，通过和负载电流控制电路(1)中的负载电流基准电压电路作比较，使第一比较器(A₁)输出控制信号到驱动信号合成电路(7)，驱动信号合成电路(7)按驱动信号合成电路真值表1-1完成逻辑运算后，分别输出信号(Y₁)、(Y₂)到驱动电路(8)的两个输入端，驱动电路(8)的两个输出端分别输出控制信号到第一开关管(J₁)和第二开关管(J₂)的控制端，使第一开关管(J₁)、第二开关管(J₂)关断或导通，保证负载电流i_o(t)在设定值I；

在t₃～t₄期间：第一开关管(J₁)导通，第二开关管(J₂)关断，下降沿恒压钳位电路(5)开始工作，给负载提供下降沿恒压钳位电压(V₂)，使负载电流由I线性下降到零；

在t₀～t₂期间：开关使能时序信号(K₀)为低电平0，第一开关管(J₁)保持关断状态、第二开关管(J₂)保持导通状态，第一开关管(J₁)和第二开关管(J₂)禁止开关动作，保证数据采集不受电子开关噪声干扰；

在t₃～t₅期间，开关使能时序信号(K₀)为低电平0，第一开关管(J₁)保持导通状态、第二开关管(J₂)保持关断状态，第一开关管(J₁)和第二开关管(J₂)禁止开关动作，保证数据采集不受电子开关噪声干扰；

其中：

钳位器件是指当它经受瞬间的高能量冲击时，能吸收瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上；

t₀-负载电流开始上升时刻；     t₁-负载电流上升到I时刻；

t₂-开关管使能时刻；           t₃-负载电流开始下降时刻；

t₄-负载电流下降到零时刻；     t₅-开关管使能时刻；

i_o(t)-负载电流；              I-负载电流幅值；

K₀-开关使能时序信号；

Y₁-驱动信号合成电路输出端信号；

Y₂-驱动信号合成电路另一输出端输出信号；

V₁-上升沿恒压钳位电压；    V₂-下降沿恒压钳位电压；

(7).计算负载电流下降沿斜率绝对值P₁，以下的“斜率”均指斜率的绝对值：

i_o(t)由I下降到零的斜率：

P1=|di0(t)dt|=|RLI+V2L1|]]>①

其中：

R_L-负载电阻；        L₁-负载电感量；

I-负载电流幅值；     V₂-下降沿恒压钳位电压；

(8).计算负载电流上升沿斜率P₂

i_o(t)由零上升到I的斜率：

P2=|di0(t)dt|=|V1L1|]]>②

其中：

L₁-负载电感量；

V₁-上升沿恒压钳位电压；

从①、②两式可知，改变V₁或R₂的值，使

V₂＝V₁-IR_L        ③

则可实现负载电流上升和下降沿斜率相等；

(9).计算负载电流上升、下降时间

负载电流上升时间：td1=-L1RLln(1-IRLV1)]]>④

负载电流下降时间：td2=-L1RLln(V2V2+IRL)]]>⑤

其中：

t_d1-i_o(t)由零上升到I的时间；    t_d2-i_o(t)由I下降到零的时间；

R_L-负载电阻；                   L₁-负载电感量；

V₁-上升沿恒压钳位电压；         V₂-下降沿恒压钳位电压；

I-负载电流幅值；

(10).恒流电感(L₂)的确定

为实现i_o(t)在输出期间恒定，i_L2(t)应大于I，因此，可假设i_L2(t)在负载电流i_o(t)上升到I值时刻达到最小值I_L2min；i_L2(t)的最大值在负载电流为零期间上升到设定值I_L2max；在负载电流上升期间，i_L2(t)电流按下式下降

iL2(t)=IL2max-V1-VSL2t]]>⑥

在t＝t_d1时刻，下降到最小值，

iL2(t)=IL2max-V1-VSL2td1=IL2min]]>⑦

将式④代入上式，得：

L2=L1(V1-VS)ln(1-IRLV1)(IL2min-IL2max)RL]]>⑧

要使负载电流恒定，则必须使：I_L2min＞I    ⑨

其中：

R_L-负载电阻；            L₁-负载电感量；

V₁-上升沿恒压钳位电压；  V_S-直流电源电压；

i_L2(t)-恒流源输出电流；  I-负载电流幅值；

I_L2min-恒流源输出的最小电流幅值；

I_L2max-恒流源输出的最大电流幅值，小于开关管能承受的最大电流。

2.一种感性负载的单极性梯形脉冲电流控制装置，其特征在于该装置包括直流电源(V_S)、恒流电感(2)、恒流源控制电路(6)、时序控制(3)、上升沿恒压钳位电路(4)、下降沿恒压钳位电路(5)、上升钳位器件(9)、下降钳位器件(10)、负载电流控制电路(1)、驱动信号合成电路(7)、驱动电路(8)、两个全控型电力电子器件第一开关管(J₁)和第二开关管(J₂)、第一二极管(D₁)、第二开关管(D₂)、第三二极管(D₃)和第四开关管(D₄)；直流电源(V_S)与开关(S)一端连接，开关(S)另一端与恒流电感(2)一端连接，恒流电感(2)另一端与第五二极管(D₅)正极连接，第五二极管(D₅)的负极与感性负载(11)的(A)端连接，感性负载(11)的(B)端与第二开关管(J₂)一端、第四二极管(D₄)的负极连接，第二开关管(J₂)的另一端与第四二极管(D₄)的正极、直流电源(V_S)负极连接；第一开关管(J₁)一端与第三二极管(D₃)的负极、第五二极管(D₅)的负极连接，第一开关管(J₁)另一端与第三二极管(D₃)的正极、直流电源(V_S)负极相连接；第一二极管(D₁)的正极与感性负载(11)的(A)端连接，第一二极管(D₁)的负极连接上升钳位器件(9)的一端，上升钳位器件(9)的另一端连接直流电源(V_S)的负极；第二二极管(D₂)的正极与感性负载(11)的(B)端连接，第二二极管(D₂)的负极与下降钳位器件(10)的一端连接，下降钳位器件(10)的另一端与直流电源(V_S)的负极连接；所述第一二极管(D₁)与上升钳位器件(9)组成上升沿恒压钳位电路(4)，第二二极管(D₂)与下降钳位器件(10)组成下降沿恒压钳位电路(5)，上升沿恒压钳位电路(4)和下降沿恒压钳位电路(5)分别连接到感性负载(11)的(A)、(B)两端，从而给负载提供上升沿恒压钳位电压(V₁)和下降沿恒压钳位电压(V₂)，使负载电流能够线性上升和下降；所述恒流源控制电路(6)包括恒流源电流采样电路、恒流源基准电压电路、由第二比较器(A₂)和电阻(R₁)、(R₂)、(R₃)构成的滞环控制电路，恒流源电流采样电路转换i_L2(t)为电压信号，并和恒流源基准电压电路做比较，当其小于恒流源基准电压电路的电压时，恒流源控制电路(6)输出信号(K₂)为高电平1，反之(K₂)为低电平0；负载电流控制电路(1)包括负载电流采样电路、负载电流基准电压电路和第一比较器(A₁)，负载电流采样电路转换i_o(t)为电压信号，并和负载电流基准电压电路做比较，当其小于负载电流基准电压电路的电压时，负载电流控制电路(1)输出信号(K₃)为低电平0，反之(K₃)为高电平1；所述驱动信号合成电路(7)的输入端分别与恒流源控制电路(6)的输出端、负载电流控制电路(1)的输出端和时序控制(3)的输出端相连接，驱动信号合成电路(7)的两个输出端分别连接到驱动电路(8)的两个输入端，驱动电路(8)的两个输出端分别连接到第一开关管(J₁)和第二开关管(J₂)的控制端；驱动信号合成电路(7)通过把时序控制(3)输出的信号(K₀)和(K₁)、恒流源控制电路(6)输出的信号(K₂)和负载电流控制电路(1)输出的信号(K₃)按驱动信号合成电路真值表1-1完成逻辑运算后，分别输出信号(Y₁)、(Y₂)到驱动电路(8)的两个输入端，驱动电路(8)的两个输出端分别输出控制信号到第一开关管(J₁)、第二开关管(J₂)的控制端，控制第一开关管(J₁)、第二开关管(J₂)的导通或关断，按设定频率输出脉冲电流，并使恒流源输出的电流以及负载电流都稳定在设定值。