СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК G05F1/56 

Заявляемое изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для преобразователей электрической энергии с LC-фильтром в непрерывной части оно может найти широкое применение в управлении электроприводами и регулируемыми источниками питания.

Известен способ управления преобразователем электрической энергии с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала преобразователя и сигнала задания, формируют пилообразный сигнал развертки с амплитудой, пропорциональной разности напряжений поступающих на вход LС-фильтра до и после коммутации ключевого элемента, формируют дифференцированный выходной сигнал, управление осуществляют управляющим сигналом, который формируют из суммы сигнала ошибки, дифференцированного выходного сигнала и сигнала развертки [1].

Недостаток известного способа заключается в том, что сигнал развертки не полностью определяет состояние преобразователя электрической энергии, поэтому изменение амплитуды напряжения питания приводит к появлению статической ошибки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления преобразователем электрической энергии с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что определяют сигнал ошибки, пропорциональный разности выходного сигнала преобразователя и сигнала задания, формируют дифференцированный выходной сигнал, формируют сигнал развертки пропорциональным сумме периодического сигнала и сигнала смещения, управление осуществляют управляющим сигналом, который формируют из суммы сигнала ошибки, дифференцированного выходного сигнала и сигнала развертки, периодический сигнал формируют из прогнозируемого для интервала после коммутации ключевого элемента приращения дифференцированного выходного сигнала, а сигнал смещения формируют равным сумме средних за период синхронизации прогнозируемых приращений дифференцированных выходных сигналов для интервалов до и после коммутации ключевого элемента [2].

Известный способ обеспечивает коммутацию ключевого элемента при отсутствии статической ошибки и устойчивость управления в широком диапазоне задания параметров.

Известный способ реализует закон управления вида


где X= U_c-U_on - сигнал ошибки, формируется как разность между выходным сигналом преобразователя и сигналом задания, UL₁=U₁-U_c и UL₂=U₂-U_c - напряжения на индуктивности LC-фильтра на интервале до и после коммутации ключевого элемента, U₁, U₂ - напряжения на входе LС-фильтра на интервале до и после коммутации ключевого элемента, - дифференцированный выходной сигнал, Т_n - длительность периода синхронизации, - постоянная времени LС-фильтра, t - время от начала периода синхронизации, t=0 и t=T_n - начало и конец периода синхронизации (момент перехода от конца периода синхронизации к началу следующего, возвращение ключевого элемента в исходное состояние), t_k - моменты коммутации ключевого элемента, определяемые наименьшим положительным корнем уравнения f(t)=0 при U₁>U₂ (в момент коммутации ключевого элемента отключается напряжение U₁ и подключается напряжение U₂) и наименьшим по модулю отрицательным корнем уравнения f(t)=0 при U₁<U₂, VT(F, t) - состояние ключевого элемента (VT=1 подключено напряжение U₁, VT=0 подключено напряжение U₂), T_d - коэффициент передачи.

Недостаток известного способа заключается в сложности формирования сигнала развертки.

Цель изобретения состоит в упрощении способа управления.

Это достигается тем, что при способе управления преобразователем электрической энергии с широтно-импульсным регулированием, заключающемся в том, что выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала преобразователя и сигнала задания, формируют дифференцированный выходной сигнал, формируют сигнал развертки пропорциональным сумме периодического сигнала и сигнала смещения, управление осуществляют управляющим сигналом, который формируют из суммы сигнала ошибки, дифференцированного выходного сигнала и сигнала развертки, при этом периодический сигнал формируют пропорциональным разнице текущих расчетных приращений выходного сигнала от напряжений па индуктивности LC-фильтра для интервалов до и после коммутации ключевого элемента, а сигнал смещения формируют пропорциональным расчетному приращению выходного сигнала за период синхронизации от напряжения на индуктивности LC-фильтра для интервала после коммутации ключевого элемента.

Сущность изобретения заключается в том, что в установившемся режиме работы входные напряжения U₁, U₂ и выходное напряжение преобразователя U_c за период пульсации меняются незначительно, поэтому на основе теоремы о среднем [3] допустимо принять

тогда

отсюда следует, что закон управления (1) можно упростить.

На чертеже приведена схема преобразователя электрической энергии с широтно-импульсным регулированием, реализующего предложенный способ.

Преобразователь содержит; ключевой элемент 1, ZC-фильтр 2, датчик тока 3, узел сравнения 4, блок формирования управляющего сигнала 5, RS-триггер 6 и блок формирования сигнала развертки 7, ключевой элемент 1 имеет два силовых входа, соединенных с шинами питания U₁ и U₂, один управляющий вход, соединенный с выходом RS-триггера 6, выход ключевого элемента 1 соединен с входом LC-фильтра 2, выход LC-фильтра 2 соединен с выходной шиной преобразователя напряжений U_c, датчик тока 3 включен в цепь конденсатора LC-фильтра 2, узел сравнения 4 имеет два входа - прямой и инверсный, прямой вход узла сравнения 4 соединен с выходной шиной преобразователя напряжений U_c, инверсный вход узла сравнения 4 соединен с шиной задания U_on, блок формирования управляющего сигнала 5 имеет три входа, первый вход блока формирования управляющего сигнала 5 соединен с выходом датчика тока 3, второй вход блока формирования управляющего сигнала 5 соединен с выходом узла сравнения 4, третий вход блока формирования управляющего сигнала 5 соединен с выходом блока формирования сигнала развертки 7, выход блока формирования управляющего сигнала 5 соединен с R-входом RS-триггера 6. S-вход RS-триггера 6 соединен с шиной синхронизации U_ic, блок формирования сигнала развертки 7 состоит из узла интегрирования 8, масштабного усилителя 9 и сумматора 10, узел интегрирования 8 имеет два аналоговых входа - прямой и инверсный, прямой аналоговый вход узла интегрирования 8 соединен с шиной питания U₁, инверсный аналоговый вход узла интегрирования 8 соединен с шиной питания U₂, управляющий вход интегратора 8 соединен с шиной синхронизации U_ic, масштабный усилитель 9 имеет два входа - прямой и инверсный, прямой вход масштабного усилителя 9 соединен с шиной питания U₂, инверсный вход масштабного усилителя 9 соединен с выходной шиной устройства U_c, выход масштабного усилителя 9 и выход узла интегрирования 8 соединены с входами сумматора 10, выход сумматора 10 является выходом блока формирования сигнала развертки 7.

В преобразователе реализован закон управления вида


где Х= U_с-U_om - сигнал ошибки, UL₁=U₁-U_c и UL₂=U₂-U_c - напряжения на индуктивности LC-фильтра 2 на интервалах до и после коммутации ключевого элемента 1, U₁, U₂ - напряжения, приложенные к входу LC-фильтра 2 на интервалах до и после коммутации ключевого элемента 1, - дифференцированный выходной сигнал (выходной сигнал датчика тока 3), t - время от начала периода синхронизации, Т_d - коэффициент передачи, - постоянная времени LC-фильтра 2, T_n - длительность периода синхронизации, t=0 и t=T_n - начало и конец периода синхронизации (момент перехода от конца периода синхронизации к началу следующего, возвращение ключевого элемента 1 в исходное состояние), t_k - моменты коммутации ключевого элемента 1, определяемые наименьшим положительным корнем уравнения f(t)=0 при U₁>U₂ (в момент коммутации ключевого элемента 1 отключается напряжение U₁ и подключается напряжение U₂) и наименьшим по модулю отрицательным корнем уравнения f(t)=0 при U₁<U₂, VT(F,t) - состояние ключевого элемента 1 (при VT=1 подключено напряжение U₁, а при VT= 0 подключено напряжение U₂).

На выходе блока формирования сигнала развертки 7 формируется сигнал

где - текущее значение расчетных приращений дифференцированного выходного сигнала при напряжении на индуктивности LC-фильтра 2, равном соответственно UL₁, UL₂,
- текущее значение расчетного приращения выходного сигнала при напряжении на индуктивности LC-фильтра 2, равном UL₁-UL₂,
- значение расчетного приращения выходного сигнала за период синхронизации при напряжении на индуктивности LC-фильтра 2 равном UL₂.

Законы управления (1) и (3) при допущении (2) эквивалентны, в то же время в предложенном способе управления формирование сигнала развертки проще известного.

Преобразователь электрической энергии работает следующим образом. На выходе узла сравнения 4 формируется сигнал ошибки х=U_c-U_оn, на выходе датчика тока 3 формируется сигнал, пропорциональный дифференцированному выходному сигналу преобразователя (ток конденсатора LC-фильтра 2), на выходе узла интегрирования 8 формируется - текущего значение расчетного приращения выходного сигнала U_c при напряжении на индуктивности LC-фильтра 2, равном UL₁-UL₂, на выходе масштабного усилителя 9 формируется сигнал - расчетного приращения выходного сигнала U_c за период пульсации при напряжении на индуктивности LC-фильтра 2, равном UL₁ (равенство справедливо, если принять на периоде синхронизации напряжение UL₂ постоянным ввиду незначительного его изменения, и на основе теоремы о среднем [3]), на выходе сумматора 10 формируется сигнал развертки, при этом на выходе RS-триггера 6 из выходного сигнала блока формирования управляющею сигнала 5 и сигнала синхронизации U_ic формируется управляющий сигнал, который управляет состоянием ключевого элемента 1 в соответствии с законом управления (3).

Источники информации
1. Гришанин Ю.С., Головацкий В.А., Юрченко А.И. Импульсные стабилизаторы напряжения с комбинированным координатно-параметрическим управлением //ЭТВА, 1984, вып. 15, с. 35-43.

2. Патент РФ 2156996, МПК⁷ G 05 В 13/02, опубл. 27.09.2000.

3. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Наука, 1974. - Т. 1.

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для преобразователя электрической энергии с широтно-импульсным регулированием и с LC-фильтром в непрерывной части и может найти применение в управлении электроприводами и регулируемыми источниками питания. Технический результат заключается в упрощении способа управления. Согласно предлагаемому способу в связи с тем, что в установившемся режиме работы напряжения питания и выходное напряжение за период синхронизации меняются незначительно, сигнал развертки формируют из периодического сигнала, пропорционального разнице текущих расчетных приращений выходного сигнала от напряжений на индуктивности LC-фильтра для интервалов до и после коммутации ключевого элемента, и сигнала смещения, пропорционального расчетному приращению выходного сигнала за период синхронизации от напряжения на индуктивности LC-фильтра для интервала после коммутации ключевого элемента. 1 ил.

Способ управления с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала LC-фильтра и сигнала задания, формируют дифференцированный выходной сигнал, формируют сигнал развертки пропорциональным сумме периодического сигнала и сигнала смещения, формируют сигнал, управляющий коммутацией ключевого элемента, в виде суммы сигнала ошибки, дифференцированного выходного сигнала и сигнала развертки, отличающийся тем, что периодический сигнал формируют пропорциональным разнице расчетных текущих приращений выходного напряжения LC-фильтра от напряжений на индуктивности LC-фильтра для интервалов до и после коммутации ключевого элемента, а сигнал смещения формируют пропорциональным расчетному приращению выходного сигнала LC-фильтра за период синхронизации от напряжения на индуктивности LC-фильтра для интервала после коммутации ключевого элемента.