CN115372680A - 一种充电电流采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超级电容充电领域，公开了一种充电电流采样方法，其特征在于，包括：采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形；根据预设第一补偿公式或预设第二补偿公式确定电流采样时间；根据所述电流采样时间采集充电电流。本发明基于脉冲宽度调制信号占空比补偿，动态调整计算充电电流采样时间，确保每次采样能够准确采集到电感电流的中间值，解决采样电流的波动问题。
Description
技术领域
本发明实施方式涉及超级电容充电领域，特别是涉及一种充电电流采样方法。
背景技术
风电变桨中的超级电容充电技术是除电机控制技术之外另一项关键控制技术，而充电技术中除了充电算法外，充电电流采样是最关键技术要领，因为一个充电算法再好，如果充电电流采样出现偏差，那么充电电流也不平稳，而且对于电容充电电量的计算存在非常大的误差。现有技术中电容充电采用的是IGBT开关，发出脉冲宽度调制信号进行充电，而对于充电电流的采样一般是采取硬件电路电容滤波，或者软件做均值滤波、一阶滤波或者卡尔曼滤波。以上这些技术没有针对充电电容采样进行动态调整，只是单纯对采样的采样值进行一个滤波处理，这些滤波效果不够理想，而且充电电流的采样值会出现比较大的偏差。
发明内容
本发明提供的一种充电电流采样方法能够动态调整并计算充电电流的采样时间，保证采样电流能够准确采集到电感电流的中间值，解决由于采样电流的波动造成充电电流波动的问题。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种充电电流采样方法，应用于超级电容充电，其特征在于，包括：
采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形；根据预设第一补偿公式或预设第二补偿公式确定电流采样时间；根据所述电流采样时间采集充电电流。
可选地，所述充电电流采样方法还包括：所述充电电流采样方法还包括：判断所述脉冲宽度调制信号的占空比是否小于或等于预设阈值；若是，根据预设第一补偿公式确定所述电流采样时间；否则，根据预设第二补偿公式确定电流采样时间；根据所述电流采样时间采集充电电流。
可选地，所述根据所述电流采样时间采集充电电流，包括：若根据预设第一补偿公式确定电流采样时间，则电流传感器采集电感电流的下降沿中间值，得到所述充电电流；或者，若根据预设第二补偿公式确定电流采样时间，则所述电流传感器采集所述电感电流的上升沿中间值，得到充电电流。
可选地，所述预设第一补偿公式为：
其中，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数,TBCLK为时钟周期。
可选地，所述预设第二补偿公式为：
其中，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数,TBCLK为时钟周期。
可选地，所述根据所述电流采样时间采集充电电流，包括：若所述脉冲宽度调制的占空比小于等于预设阈值，所述电流传感器采集所述电感电流的下降沿中间值；或者，若所述脉冲宽度调制的占空比大于预设阈值，所述电流传感器采集所述电感电流的上升沿中间值。
第二方面，本发明实施例还提供一种超级电容充电方法，包括：应用如第一方面所述的充电电流采样方法，获得充电电流；使用预设的充电算法，以所述充电电流为基础，计算获得对应的输出电流，其中，所述充电算法包括电压环和电流环的双环PID控制；使用所述输出电流以恒流，恒压，浮充三个模式中任一模式为所述超级电容充电。
第三方面，本发明实施例还提供一种充电电流采样装置，应用于超级电容充电，包括：电流采集模块，用于采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形，并根据第一电流采样时间或第二电流采样时间采集充电电流；电容充电模块，用于为超级电容提供电能。
第四方面，本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括：
至少一个处理器；和
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如第一方面所述的充电电流采样方法和/或第二方面所述的超级电容充电方法。
第五方面，本发明实施例还提供一种非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被执行时，能够执行如第一方面所述的充电电流采样方法和/或第二方面所述的超级电容充电方法。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种充电电流采样方法，应用于超级电容充电，包括：采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形；根据预设第一补偿公式或预设第二补偿公式确定电流采样时间；根据所述电流采样时间采集充电电流。本发明基于脉冲宽度调制信号占空比补偿，动态调整计算充电电流采样时间，确保每次采样能够准确采集到电感电流的中间值，解决采样电流的波动问题。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种充电电流采样方法流程图；
图2是本发明实施例提供的脉冲宽度调制信号流过电感产生的电流波形；
图3是本发明实施例提供的计算第一脉冲宽度调制信号占空比原理图；
图4是本发明实施例提供的ADC采样器采样原理图；
图5是本发明实施例提供的图1中步骤S102的方法流程图；
图6是本发明实施例提供的一种超级电容充电方法流程图；
图7是本发明实施例提供的恒压充电模式下对电感电流的电流三角波形上升沿电流中间值采样效果图；
图8是本发明实施例提供的一种充电电流采样装置图；
图9是本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互组合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块的划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置示意图中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种充电电流采样方法流程图，该方法包括如下步骤：
S101、采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形；
在一些实施例中，超级电容充电采用的是IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)开关，DSP芯片发出脉冲宽度调制信号作用于IGBT开关上，当该脉冲宽度调制信号在流过电感时，电感电流的波形呈现为三角波形。具体的，请参阅图2，图2是本发明实施例提供的脉冲宽度调制信号流过电感产生的电流波形。该脉冲宽度调制信号为矩形波形，在脉冲宽度调制信号的高有效时间t1内，电感电流的波形呈线性上升状态，在脉冲宽度调制信号低有效时间t2内，电感电流的波形呈线性下降状态。在脉冲宽度调制信号的一个周期Tcyc内，该电感电流的波形呈现三角波类型，并且该电感电流的三角波形状受到脉冲宽度调制信号的高有效时间t1和低有效时间t2的影响，另外Ic为该三角波电流的中间值。
S102、根据预设第一补偿公式或预设第二补偿公式确定电流采样时间；
该预设第一补偿公式的表达式为：
其中，Tadc为电流采样时间，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数，TBCLK为时钟周期。
该预设第二补偿公式的表达式为：
其中，Tadc为电流采样时间，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数，TBCLK为时钟周期。
为了便于理解步骤S102，发明人进一步详述如下：
在一些实施例中，在超级电容的一个充电周期内，DSP(数字信号处理技术)芯片产生两个频率相同的脉冲宽度调制信号：第一脉冲宽度调制信号和第二脉冲宽度调制信号，该第一脉冲宽度调制信号用于占空比的计算，该第二脉冲宽度调制信号用于计算电流采样时间Tadc。
具体的，DSP芯片通过改变比较器Cmp值来获取第一脉冲宽度调制信号的占空比，请参阅图3，图3是本发明实施例提供的计算第一脉冲宽度调制信号占空比原理图。在一些实施例中，DSP采用Up_Dowm模式，设置触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值TBPRD为4，比较器的Cmp值为3，在此设置条件基础上，DSP生成第一脉冲宽度调制信号，根据占空比计算公式：(TBPRD-Cmp)/TBPRD*100％，计算得出该第一脉冲宽度调制信号的占空比为25％，即t1/Tcyc为25％，其中，t1为第一脉冲宽度调制信号的高有效时间，Tcyc为第一脉冲宽度调制的周期。
通过改变比较器Cmp值在来不同时间内触发ADC采样器，ADC触发采样器对第二脉冲宽度调制信号进行采样，具体的，请参阅图4，图4是本发明实施例提供的ADC采样器采样原理图，在一些实施例中，DSP采用Up模式，设置触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值TBPRD为7，比较器的Cmp值为4，在此设置条件基础上，电流采样时间点为Tadc。
在对超级电容充电的一个充电周期内，若超级电容的电量很低，这时候与母线电压差非常大，如果采用恒流充电模式对超级电流进行充电，这时候DSP生成的第一脉冲宽度调制信号的占空比低，该第一脉冲宽度调制信号流过电感电流时产生的电流三角波形就会出现上升沿斜率很大，下降沿斜率比较小，在一些实施例中，采用第一补偿公式确定电流采样时间点，具体的，DSP设置比较器Cmp值，公式1为：
Cmp＝TBPRD/2+a*TBPRD/2
其中，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数，a＝0.8*(1-du)，du为上一周期第一脉冲宽度调制信号的占空比。
接着，ADC触发采样器对第二脉冲宽度调制信号进行采样，计算得采样时间点Tadc，公式2为：
Tadc＝Cmp/(TBPRD+1)*TBCLK
其中，Cmp由公式1计算得到，TBCLK为时钟周期。在一些实施例中，TBCLK的大小为0.5ns。联合公式1和公式2进行整理化简得第一补偿公式。计算得采样时间点Tadc后电流传感器采集第一脉冲宽度调制信号流过电感电流时产生的电流三角波下降沿的电流中间值，该电流中间值作为充电电流被电流传感器所采集。
在一些实施例中，当超级电容电压充电一段时间后超级电容电压上升，第一脉冲宽度调制信号的占空比达到预设阈值后，此时第一脉冲宽度调制信号流过电感时产生电流三角波形的上升斜率比较小，下降斜率比较大，采用第二补偿公式确定电流采样时间点，具体的，DSP设置比较器Cmp值，公式3为：
Cmp＝a*TBPRD/2
其中，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数，a＝0.8*(1-du)，du为上一周期第一脉冲宽度调制信号的占空比。
接着，ADC触发采样器对第二脉冲宽度调制信号进行采样，采用公式2计算得采样时间点Tadc，联合公式2和公式3进行整理化简得第二补偿公式。计算得采样时间点Tadc后电流传感器采集第一脉冲宽度调制信号流过电感电流时产生的电流三角波上升沿的电流中间值，该电流中间值作为充电电流被电流传感器所采集。
S103、根据所述电流采样时间采集充电电流。
在一些实施例中，如果要获取三角波上升沿电流中间值的电流采样时间点Tadc，则需要先设置Cmp＝TBPRD/2，若要获取三角波下降沿电流中间值的电流采样时间点Tadc，则需要设置Cmp＝TBPRD。
请参阅图5，图5是本发明实施例提供的图1中步骤S102的方法流程图，包括：
S1021、判断脉冲宽度调制信号的占空比是否小于等于预设阈值。若是，执行步骤S1023，若否，则执行步骤S1022。
在一些实施例中，预设阈值设置为50％。
S1023、若是，根据预设第一补偿公式确定电流采样时间。
S1022、否则，根据预设第二补偿公式确定电流采样时间。
S103、根据所述电流采样时间采集充电电流。
在一些实施例中，所述根据所述电流采样时间采集充电电流，还包括：若所述脉冲宽度调制的占空比小于等于预设阈值，所述电流传感器采集所述电感电流的上升沿中间值；或者，若所述脉冲宽度调制的占空比大于预设阈值，所述电流传感器采集所述电感电流的下降沿中间值。
请参阅图6，图6是本发明实施例提供的一种超级电容充电方法流程图，应用如上述实施例提供的充电电流采样方法，包括：
S301、获得充电电流。
电流传感器采集第一脉冲宽度调制信号流过电感电流时产生的电流三角波上升沿和/或下降沿的电流中间值作为充电电流。
S302、使用预设的充电算法，以充电电流为基础，计算获得对应的输出电流。
在一些实施例中，所述充电算法包括电压环和电流环的双环PID控制，对于电流环的PID控制，利用上一周期的输出电流来调节本周期的充电电流，调节过程包括比例、积分、微分三个环节的加和，获得本周期的输出电流。
具体的，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差：e(t)＝r(t)-y(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：即时成比例地反应控制***的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。当偏差e＝0时，控制作用也为0。因此，比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。(2)积分环节：能对误差进行记忆，主要用于消除静差，提高***的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在***中引入一个有效的早期修正信号，从而加快***的动作速度，减小调节时间。从时间的角度讲，比例作用是针对***当前误差进行控制，积分作用则针对***误差的历史，而微分作用则反映了***误差的变化趋势，这三者的组合是“过去、现在、未来”的完美结合。
PID输出函数u(t)：
PID控制的传递函数公式为：
式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；Ki＝Kp/Ti，为积分系数；Kd＝Kp*Td，为微分系数。
关于PID参数的选取：(1)比例作用使得控制器的输入输出成比例关系，为了尽量减小偏差，同时也为了加快响应速度，缩短调节时间，就需要增大Kp。但比例作用过大会使***动态性能变坏，甚至会使闭环***不稳定。(2)积分作用的引入有利于消除稳态误差，但使***的稳定性下降。尤其在大偏差阶段的积分往往会使***产生过大的超调，调节时间变长。(3)微分作用的引入使***能够根据偏差变化的趋势做出反应，适当的微分作用可加快***响应，有效地减小超调，改善***的动态特性，增加***的稳定性。不利之处是微分作用对干扰敏感，使***抑制干扰能力降低。因此，PID控制器的参数选取必须兼顾动态与静态性能指标要求，只有合理地整定Kp、Ki、Kd三个参数，才能获得比较满意的控制性能，在一些实施例中，不仅PID控制器自动设置和调整PID控制器的参数，而且用户也可以根据实际需要手动设置和调整PID控制器的参数。PID控制器参数整定就是设置和调整控制器的参数，PID控制器的参数整定方法有：(1)基于被控过程对象参数辨识的整定方法，这种方法首先要辨识出对象的参数模型，再利用极点配置整定法、相消原理法等理论计算整定法整定。(2)基于抽取对象输出响应特征参数整定法，如Z-N参数整定法(也称临界比例度法)。(3)参数优化方法。(4)基于模式识别的专家***法以及基于控制器自身控制行为的控制器参数在线整定方法。
S303、使用输出电流以恒流，恒压，浮充三个模式中任一模式为所述超级电容充电。
请参阅图7，图7是本发明实施例提供的恒压充电模式下对电感电流的电流三角波上升沿电流中间值采样效果图，其中，图7示意性画出两个相邻的电感电流的电流三角波形，Ic为电流三角波的上升沿中间值，Tadc1为前一周期采样时间点，Tadc2为后一周期采样时间点。
相应的，本发明实施例还提供一种充电电流采样装置，应用于超级电容充电，如图8所示，在一些实施例中，一种充电电流采样装置80包括：
电流采集模块801，电流采集模块，用于采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形，并根据第一电流采样时间或第二电流采样时间采集充电电流；
电容充电模块802，用于为超级电容提供电能。
作为本发明实施例的另一方面，本发明实施例提供一种电子设备，如图8所示，为该电子设备90的硬件结构示意图，请参阅图9，该电子设备包括：一个或多个处理器901以及存储器902，图9中以一个处理器901为例。
处理器901和存储器902可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。
存储器902作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的一种充电电流采样装置对应的程序指令/模块(例如，附图7所示的电流采集模块801、电容充电模块802)。处理器801通过运行存储在存储器902中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行该电子设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的充电电流采样方法和/或超级电容充电方法。
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据控制器的使用所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器802可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该电子设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器902中，当被所述一个或者多个处理器901执行时，执行上述任意方法实施例中的充电电流采样方法和/或超级电容充电方法。
上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。
本发明实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被电子设备执行上述任意方法实施例中的充电电流采样方法和/或超级电容充电方法。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时时，使所述计算机执行上述任意方法实施例中的充电电流采样方法和/或超级电容充电方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用至少一台计算机(可以是个人计算机，服务器，或者网络等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行个合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种充电电流采样方法，应用于超级电容充电，其特征在于，包括：
采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形；
根据预设第一补偿公式或预设第二补偿公式确定电流采样时间；
根据所述电流采样时间采集充电电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充电电流采样方法还包括：
判断所述脉冲宽度调制信号的占空比是否小于或等于预设阈值；
若是，根据预设第一补偿公式确定电流采样时间；
否则，根据预设第二补偿公式确定所述电流采样时间；
根据所述电流采样时间采集充电电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电流采样时间采集充电电流，包括：
若根据预设第一补偿公式确定电流采样时间，则电流传感器采集电感电流的下降沿中间值，得到所述充电电流；
或者，若根据预设第二补偿公式确定电流采样时间，则所述电流传感器采集所述电感电流的上升沿中间值，得到所述充电电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设第一补偿公式为：
其中，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数,TBCLK为时钟周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设第二补偿公式为：
其中，TBPRD为触发ADC采样的脉冲宽度调制信号的基数值，a为上一周期脉冲宽度调制信号产生的补偿系数,TBCLK为时钟周期。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述电流采样时间采集充电电流，包括：
若所述脉冲宽度调制的占空比小于等于预设阈值，所述电流传感器采集所述电感电流的下降沿中间值；
或者，若所述脉冲宽度调制的占空比大于预设阈值，所述电流传感器采集所述电感电流的上升沿中间值。
7.一种超级电容充电方法，其特征在于，包括：
应用如权利要求1-6任一项所述的充电电流采样方法，获得充电电流；
使用预设的充电算法，以所述充电电流为基础，计算获得对应的输出电流，其中，所述充电算法包括电压环和电流环的双环PID控制；
使用所述输出电流以恒流，恒压，浮充三个模式中任一模式为所述超级电容充电。
8.一种充电电流采样装置，应用于超级电容充电，其特征在于，包括：
电流采集模块，用于采集脉冲宽度调制信号流过电感时产生的电流波形，并根据第一电流采样时间或第二电流采样时间采集充电电流；
电容充电模块，用于为超级电容提供电能。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
至少一个处理器；和
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指
令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-6任一项所述的充电电流采样方法和/或如权利要求7所述的超级电容充电方法。
10.一种非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算
机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被执行时，能够执行如权利要求1-6任一项所述的充电电流采样方法和/或如如权利要求7所述的超级电容充电方法。
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| CN202211007878.9A CN115372680A (zh) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | 一种充电电流采样方法 |
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