滞环型窗口比较器的设计与精确计算

王凌峰，梁宝明



滞环型窗口比较器的设计与精确计算

王凌峰，梁宝明

（武汉船用电力推进装置研究所， 武汉 430064）

窗口比较器已广泛应用于电机调速系统中信号检测与控制。本文阐述了滞环型窗口比较器的优点及其应用于变频控制中的优势，提出了滞环型窗口比较器的设计方法，通过该比较器不同模式的电路模型，进行了详细分析和精确计算。通过实验结果，验证了该设计的有效性和精确性。

滞环窗口比较器电机调速 PI控制

0 引言

在交流电机调速系统中，窗口比较器已被广泛地应用于信号处理与控制，如对变频调速输出交流电流的检测及PI控制等。但是对于缓慢变化的输人信号，当其接近正向门限电平或负向门限电平时，叠加在信号上的纹波或干扰信号会使比较器产生误翻转，这就是所谓的比较器“振铃”现象，从而导致控制上的频繁动作，甚至出现控制振荡或失调。采用滞环型窗口比较器可有效解决这类问题，滞环比较器在正向和负向分别具有两个门槛电压值，可以滤除一些干扰信号；利用滞环比较器设计的控制器应用于控制方面时，有别于常规PI控制器的最大优点是它不依赖于被控对象的参数，即使参数是时变的，整个系统的性能也不受影响。另一方面，滞环比较器阈值的常规计算方法为估算方法，计算的阈值与电路实际工作时的阈值相比存在一定偏差。

本文将围绕滞环型窗口比较器的设计展开讨论，并针对该比较器进行工作模式分析和详细计算，以提高阈值的设计精度，从而提高其应用时的控制精度。

1 滞环型窗口比较器原理介绍

传统的窗口比较器常用两个比较器组成，它有两个阈值电压VTH（高阈值电压）和VTL（低阈值电压），与VTH及VTL比较的电压Vin输入到两个比较器。如VTL≤Vin≤VTH，则Vo输出高电平；若VinVTH，则Vo输出低电平，电路图及波形图分别如图1和图2所示。从图2可以看出，输出电压Vo有明显的“振铃”现象。

本文设计的滞环型窗口比较器电路图如图3所示。电路中增加了R5和R6的正反馈电阻，用于产生比较输出的迟滞效果；当V为交流电压时，要求V为正电压（如+15 V），V为负电源（如-15 V），为实现V输出逻辑电平以兼容后端数字电路，需要对V进行反向截止和分压处理。图中，V为比较器芯片输出级三极管等效导通压降，Vd2为串联二极管导通压降，为阈值设置的参考电压源，为匹配后端电路的参考电压源，通常可令V1=V4=+VV2=V5=-VV3=V=0 V，=∞。

上述电路迟滞示意图及输出V波形分别如图4、图5所示，其中V可兼容后端数字电路的逻辑电平（V=()()，令=∞）。由图5可看出，图2中出现的“振铃”现象已消失。

2 等效模型及分析计算

通过电路不同工作模式下等效模型分析的方式，进行对电路阈值的精确计算。当V≤Vp时，U1输出级三极管截止，节点电路如图6（a），有如下节点电压方程：

对方程组求解得：

当V逐步增大至V>V时，U1输出级三极管导通，节点电路如图6（b），有如下节点电压方程：

求解后得：

根据式（1）～式（5）可得：

因此得：

综上述，式（6）~式（9）即为4个阈值点的计算公式，其中G1～G11为R1～R11的导数，公式中各系数含义如下：

3 典型应用及实验

图7为本文设计的实际电路，该电路应用于变频调速控制系统中输出电流的闭环控制。

选取图中所示各参数，根据式（6）～（9）理论计算阈值与实测阈值对比如表1：

实验波形如图8所示：

4 结论

本文设计了一种滞环型窗口比较器，消除了比较器“振铃”现象，防止控制上的频繁误动作或振荡失调，尤其是对该窗口比较器进行了详细的理论分析和精确计算，提高了设计精度。通过实验测试，证明该电路设计和计算精度均达到了预期效果，可广泛应用于变频调速等领域的检测与控制系统中。

[1] 康华光．电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社，2001.

[2] 陈军, 夏汉初, 龚晶. 电子技术基础实验(模拟电路部分)[M]．南京: 解放军理工大学理学院, 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，高级工程师。研究方向：电子技术。