СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ОДНОСТОРОННЕЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 2008 года по МПК G05F1/56 

Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для импульсных преобразователей постоянного напряжения, может найти широкое применение в управлении электроприводами и регулируемыми вторичными источниками питания.

Известен способ управления преобразователем постоянного напряжения с односторонней широтно-импульсной модуляцией (способ управления импульсным стабилизатором напряжения), заключающийся в переключении ключевого элемента по сигналу синхронизации и знаку управляющего сигнала, при этом управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, дифференцированного сигнала ошибки и пилообразного сигнала развертки с постоянной амплитудой [1].

Недостаток этого способа заключается в том, что устойчивая работа преобразователя возможна только в узком диапазоне изменения параметров источника питания и нагрузки и не позволяет обеспечить апериодичность переходного процесса в широком диапазоне регулирования [2]. Кроме того, сигнал развертки не определяет состояния системы, поэтому изменение параметров источника питания или нагрузки приводит к появлению статической ошибки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления преобразователями постоянного напряжения с односторонней широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в переключении ключевого элемента по сигналу синхронизации и знаку управляющего сигнала с формированием управляющего сигнала из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя и сигнала развертки, формируемого как прогнозируемое на интервале после коммутации ключевого элемента приращение пульсирующей составляющей тока дросселя, смещенное на величину суммы средних за период коммутации приращений пульсирующей составляющей тока дросселя на интервалах до и после коммутации [3].

Известный способ осуществляет коммутацию ключевого элемента в соответствии с законом управления вида

;

где x=U_н-U_оп - сигнал ошибки; U_н - выходной сигнал; U_оп - сигнал задания; k_m - коэффициент связи; - пульсирующая составляющая тока дросселя; Y_p - сигнал развертки; L - индуктивность дросселя; - напряжения на дросселе до и после коммутации ключевого элемента; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({a} - дробная часть числа а); T - длительность периода коммутации; VT - состояние ключевого элемента (при модуляции заднего фронта θ=1, при модуляции переднего фронта θ=0); t_к - момент коммутации, определяется при модуляции заднего фронта корнем уравнения F=0 при , а при модуляции переднего фронта корнем уравнения F=0 при .

В известном способе сигнал развертки прогнозирует значение пульсирующей составляющей тока дросселя на момент коммутации ключевого элемента, что исключает статическую ошибку и обеспечивает устойчивую работу преобразователя в широком диапазоне задания параметров.

Недостатком известного способа управления является сложность формирования сигнала развертки. Так, в устройстве, реализующем известный способ управления [3], блок формирования сигнала развертки содержит четыре интегратора, два элемента памяти и три сумматора.

Цель технического решения - упрощение формирования сигнала развертки.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления преобразователями постоянного напряжения с односторонней широтно-импульсной модуляцией, заключающемся в том, что переключение ключевого элемента осуществляют по сигналу синхронизации и знаку управляющего сигнала, управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя и сигнала развертки, прогнозирующего на момент коммутации ключевого элемента значение пульсирующей составляющей тока дросселя, при этом сигнал развертки, согласно изобретению, формируют как половину прогнозируемого текущего приращения тока дросселя от напряжения, поступающего на дроссель на интервале после коммутации ключевого элемента.

Сущность изобретения заключается в том, что в установившемся режиме работы значение пульсирующей составляющей тока дросселя на момент коммутации будет на половину меньше его приращения.

Сигнал развертки, прогнозирующий значение пульсирующей составляющей тока дросселя на момент коммутации ключевого элемента, формируется выражением вида

где L - индуктивность дросселя; - напряжения на дросселе после коммутации ключевого элемента; t_p - временная координата для формирования сигнала развертки; T - длительность периода модуляции.

Приращение тока дросселя на интервале после коммутации ключевого элемента определяется уравнением где для режима после коммутации ключевого элемента выражение соответствует расчетному за весь период приращению тока дросселя, а выражение - расчетному текущему приращению тока дросселя.

На основе теоремы о среднем [4] допустимо принять, что откуда в соответствии с выражением (2) сигнал развертки формируется равным половине разности расчетных для режима после коммутации ключевого элемента, полного за период и текущего приращений тока дросселя, и определяется выражением.

Для понижающего и понижающе-повышающего преобразователей с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта напряжение на дросселе после коммутации ключевого элемента равно отрицательному значению выходного напряжения

Для понижающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта и повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта напряжение на дросселе после коммутации ключевого элемента равно разности значений напряжения питания и выходного напряжения

Для повышающего и понижающе-повышающего преобразователей с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта напряжение на дросселе после коммутации ключевого элемента равно значению напряжения питания

На фиг.1 приведена схема блока развертки, на фиг.2 - схемы силовой части понижающего (фиг.2а), повышающего (фиг.2б) и повышающе-понижающего (фиг.2в) преобразователей, на фиг.3 - устройство управления преобразователями постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией заднего (фиг.3а) и переднего (фиг.3б) фронтов.

Блок развертки (фиг.1), прогнозирующий значение пульсирующей составляющей тока дросселя на момент коммутации ключевого элемента, состоит из узла 1, масштабного усилителя 2, интегратора 3 и сумматора 4, интегратор 3 имеет аналоговый и управляющий входы, аналоговый вход интегратора 3 соединен с входом масштабного усилителя 2 и выходом узла 1, входы узла 1 соединены с шинами U_п и U_н, управляющий вход интегратора 3 соединен с шиной синхронизации t_c, выход интегратора 3 соединен с вычитающим входом сумматора 4, выход масштабного усилителя 2 соединен с суммирующим входом сумматора 4, выход сумматора 4 соединен с выводом Y_p блока развертки.

Силовая часть преобразователей (фиг.2) состоит из ключевого элемента 5, диода 6, дросселя 7 и датчика тока 8, ключевой элемент 5, диод 6 и дроссель 7 соединены между собой в звезду, датчик тока 8 включен в цепь дросселя 7, управляющий вход ключевого элемента 5 соединен с шиной VT, выход датчика тока 8 соединен с выводом , в схемах (фиг.2а и фиг.2в) второй вывод ключевого элемента 5 соединен с входной шиной питания U_п, в схеме (фиг.2б) второй вывод ключевого элемента 5 соединен с общей шиной U₀, в схеме (фиг.2б и фиг.2в) второй вывод диода 6 соединен с выходной шиной U_н и -U_н преобразователя, в схеме (фиг.2а) второй вывод диода 6 соединен с общей шиной U₀, в схеме (фиг.2а) второй вывод дросселя 7 соединен с выходной шиной U_н, в схеме (фиг.2б) второй вывод дросселя 7 соединен с входной шиной питания U_п, в схеме (фиг.2в) второй вывод дросселя 7 соединен с общей шиной U₀.

Устройства управления преобразователями постоянного напряжения с односторонней широтно-импульсной модуляцией (фиг.3), реализующие предложенный способ управления, состоят из узла задания 9, узла сравнения 10, арифметического устройства 11, генератора синхроимпульсов 12 и триггера 13, прямой вход узла сравнения 10 соединен с шиной U_н, инверсный вход узла сравнения 10 соединен с выходом U_оп узла задания 9, выход t_с генератора синхроимпульсов 12 соединен с входом установки «0» триггера 13, первый вход арифметического устройства 11 соединен с выводом датчика тока 8, второй вход арифметического устройства 11 соединен с выходом узла сравнения 10, третий вход арифметического устройства 11 соединен с выводом Y_p блока развертки, в устройстве управления (фиг.3а) вход установки «1» триггера 13 соединен с прямым выходом арифметического устройства 11, прямой выход триггера 13 соединен с шиной VT, в устройстве управления (фиг.3б) вход установки «1» триггера 13 соединен с инверсным выходом арифметического устройства 11, инверсный выход триггера 13 соединен с шиной VT.

Блок развертки (см. фиг.1) и устройства управления преобразователями постоянного напряжения с односторонней широтно-импульсной модуляцией (фиг.3) работают следующим образом; на выходе узла 1 формируют сигнал , равный значению напряжения на дросселе 7 после коммутации ключевого элемента 5, на выходе сумматора 4 формируют сигнал развертки Y_p в соответствии с уравнением (3), для этого на выходе масштабного усилителя 2 формируют сигнал , прогнозирующий для режима после коммутации ключевого элемента 5 половину полного за период коммутации приращения тока дросселя 7, на выходе интегратора 3 формируют сигнал , прогнозирующий для режима после коммутации ключевого элемента половину текущего приращения тока дросселя 7.

Для понижающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (схема силовой части фиг.2а, устройство управления фиг.3а) и понижающе-повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (схема силовой части фиг.2в, устройство управления фиг.3а) на выходе узла 1 формируют сигнал вида

Для понижающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (схема силовой части фиг.2а, устройство управления фиг.3б) и для повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (схема силовой части фиг.2б, устройство управления фиг.3а) на выходе узла 1 формируют сигнал вида

Для повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (схема силовой части фиг.2б, устройство управления фиг.3б) и понижающе-повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (схема силовой части фиг.2в, устройство управления фиг.3б) на выходе узла 1 формируют сигнал вида

Таким образом, для понижающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (схема силовой части фиг.2а, устройство управления фиг.3а) и понижающе-повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (схема силовой части фиг.2в, устройство управления фиг.3а) в соответствии с законом управления (1), формированием сигнала развертки в соответствии с выражением (3) и определением напряжения на дросселе для интервала после коммутации ключевого элемента выражением (4) коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии с законом управления вида

;

Для понижающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (схема силовой части фиг.2а, устройство управления фиг.3б) в соответствии с законом управления (1), формированием сигнала развертки в соответствии с выражением (3) и определением напряжения на дросселе для интервала после коммутации ключевого элемента выражением (5) коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии с законом управления вида

;

Для повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (схема силовой части фиг.2б, устройство управления фиг.3а) в соответствии с законом управления (1), формированием сигнала развертки в соответствии с выражением (3) и определением напряжения на дросселе для интервала после коммутации ключевого элемента выражением (5) коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии с законом управления вида

;

Для повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (схема силовой части фиг.2б, устройство управления фиг.3б) и понижающе-повышающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (схема силовой части фиг.2в, устройство управления фиг.3б) в соответствии с законом управления (1), формированием сигнала развертки в соответствии с выражением (3) и определением напряжения на дросселе для интервала после коммутации ключевого элемента выражением (6) коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии с законом управления вида

;

ЛИТЕРАТУРА

1. Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению / Г.А.Белов, С.А.Кузьмин. - ЭТВА, Вып. 15. С.48.: Радио и связь, 1984.

2. Двухзонные следящие системы / В.В.Шевапь, Е.И.Дорохов, С.А.Исаков, В.И.Земцов. - М.: Энергоатомиздат, 1984 (Б-ка по автоматике; вып. 646).

3. Патент РФ №2156996, МПК⁷ G05В 13/02, опубл. 27.09.2000.

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

Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для импульсных преобразователей постоянного напряжения, может найти широкое применение в управлении электроприводами и регулируемыми вторичными источниками питания. Технический результат состоит в упрощении формирования сигнала развертки. Сущность изобретения заключается в том, что в установившемся режиме работы значение пульсирующей составляющей тока дросселя на момент коммутации будет на половину меньше его приращения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления преобразователями постоянного напряжения с односторонней широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в том, что переключение ключевого элемента осуществляют по сигналу синхронизации и знаку управляющего сигнала, управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя и сигнала развертки, прогнозирующего на момент коммутации ключевого элемента значение пульсирующей составляющей тока дросселя, отличающийся тем, что сигнал развертки формируют как половину прогнозируемого относительно конца периода модуляции текущего приращения тока дросселя от напряжения, поступающего на дроссель на интервале после коммутации ключевого элемента.2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что сигнал развертки формируют как половину разности расчетных полного за период и текущего приращений тока дросселя от напряжения, поступающего на дроссель на интервале после коммутации ключевого элемента.