СПОСОБ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ Российский патент 2009 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к области преобразовательной и импульсной техники и может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения, автономных инверторах, регуляторах переменного напряжения и в других типах статических преобразователей с нелинейной регулировочной характеристикой.

Известен способ широтно-импульсного управления статическим преобразователем, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал пилообразной формы, который сравнивают с сигналом управления и формируют управляющие импульсы силовыми ключами статического преобразователя на каждом периоде модуляции в течение интервалов знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления [1].

Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку не позволяет формировать требуемый вид зависимости выходного напряжения статического преобразователя от величины сигнала управления, в частности, осуществлять линеаризацию передаточной характеристики «вход-выход».

Известен способ широтно-импульсного управления статическим преобразователем, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал арккосинусоидальной формы, который сравнивают с сигналом управления и формируют управляющие импульсы силовыми ключами статического преобразователя на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления [2].

Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку не позволяет формировать требуемый вид зависимости выходного напряжения статического преобразователя от величины сигнала управления, а линеаризация передаточной характеристики «вход-выход» возможна только для статических преобразователей с регулировочной характеристикой косинусоидальной формы.

Наиболее близким к предлагаемому является способ широтно-импульсного управления статическим преобразователем, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал в виде пакета опорных импульсов различной амплитуды, который сравнивают с сигналом управления, и формируют управляющие импульсы силовыми ключами статического преобразователя на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления [3].

Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку обеспечивает только линеаризацию передаточной характеристики «вход-выход» магических преобразователей с косинусоидальной формой регулировочной характеристики. Это обусловлено фиксированным распределением опорных импульсов в пакете, формирующем только один вид развертки опорного сигнала по арккосинусоидальному закону.

Цель предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей путем коммутационного программирования развертки опорного сигнала и вида передаточной характеристики «вход-выход» статического преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в диапазоне значений сигнала управления формируют ранжированную в порядке возрастания шкалу опорных напряжений U₁<U₂<...<U_i<...<U_N, разворачивают на периоде модуляции вспомогательный сигнал пилообразной формы с амплитудой, равной U_N, задают на шкале опорных напряжений N дискретнык отсчетов S₀(Δτ),S₀(2·Δτ),...,S₀(j·Δτ),...,S₀(N·Δτ) развертки опорного сигнала и составляют пакет из N прямоугольных опорных импульсов в процессе воспроизведения многоместных N-арных логических операций предикатной алгебры выбора

при отождествлении дискретных отсчетов S₀(j·Δτ) с предметными переменными у_i и формировании временной последовательности бинарных значений {0,1} составных весовых коэффициентов, удовлетворяющих условиям комплементарности

путем сравнения вспомогательного сигнала пилообразной формы с опорными напряжениями, осуществляют коммутационные перестановки между предметными переменными и дискретными отсчетами у_i↔S₀(j·Δτ) и выделяют гладкую составляющую развертки опорного сигнала.

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 представлены временные диаграммы вспомогательного сигнала пилообразной формы и составных весовых коэффициентов на периоде модуляции; на фиг.3 показана последовательность опорных импульсов и «гладкая» составляющая программируемой развертки опорного сигнала.

Устройство, реализующее предлагаемый способ управления, содержит источник 1 опорных напряжений, генератор 2 вспомогательного сигнала пилообразной формы, коммутационную матрицу 3, ситуационный аналоговый мультиплексор 4, одноканальный релятор-модулятор 5 и статический преобразователь 6.

Выходы источника 1 опорных напряжений, формирующего шкалу ранжированных в порядке возрастания опорных напряжений U₁<U₂<...<U_i<...U_N, подключены к горизонтальным шинам коммутационной матрицы 3, вертикальные шины которой разделены на две функциональные группы: группу вертикальных шин предикатных переменных (х₁,х₂,...,x_N-1) и группу вертикальных шин предметных переменных (y₁,y₂,...,y_N).

Ситуационный аналоговый мультиплексор 4 состоит из (N-1) одноканальных реляторов 7, каждый из которых содержит дифференциальный компаратор 8, управляющий переключательным каналом, образованным замыкающим 9 и размыкающим 10 ключами. Прямые входы дифференциальных компараторов 8 всех (N-1) одноканальных реляторов 7 объединены и образуют информационный вход ситуационного аналогового мультиплексора 4, подключенный к выходу генератора 2 вспомогательного сигнала пилообразной формы. Инверсные входы дифференциальных компараторов 8 одноканальных реляторов 7 подключены к группе вертикальных шин предикатных переменных (х_1,х₂,...,x_N-1) коммутационной матрицы 3. Идентификация каждого одноканального релятора 7 в составе ситуационного аналогового мультиплексора 4 осуществляется индексом подключенной предикатной переменной (x_1,x₂,...,x_N-1). Замыкающий 9 и размыкающий 10 ключи переключательных каналов смежных пар одноканальных реляторов 7 соединены последовательно, причем свободные выводы замыкающих ключей 9 подключены к группе вертикальных шин предметных переменных (у₂,...,y_N-1) коммутационной матрицы 3, а свободные выводы размыкающих ключей 10 объединены и образуют информационный выход ситуационного аналогового мультиплексора 4, подключенный к фильтру нижних частот 11. Выводы размыкающего 10 и замыкающего 9 ключей «крайних» одноканальных реляторов 7 подключены к вертикальным шинам предметных переменных у₁, у_n коммутационной матрицы 3 и к информационному выходу ситуационного аналогового мультиплексора 4 соответственно.

Прямой вход дифференциального компаратора 12 одноканального релятора-модулятора 5 подключен к выходу фильтра нижних частот 11, а на инверсный вход подается сигнал управления S_y. Замыкающий ключ 13 переключательного канала одноканального релятора-модулятора 5 подключен к источнику положительного напряжения +U_M, размыкающий ключ 14 подключен к источнику отрицательного напряжения -U_M. Свободные выводы замыкающего 13 и размыкающего 14 ключей объединены и образуют выход одноканального релятора-модулятора 5, подключенный к управляющему входу силовых ключей статического преобразователя 6.

На фиг.1, 2, 3 приняты следующие обозначения: U₁,U₂,...,U_N-1,U_N - шкала опорных напряжений: (х₁, х₂,...,х_N-2,х_N-1) - предикатные переменные; (у₁,у₂,...,у_N-1,у_N) - предметные переменные; S_B - вспомогательный сигнал пилообразной формы; α₁, α₂,...,α_N-2,α_N-1,α_N - составные весовые коэффициенты; S₀(y_i,N),S₀(t) - логико-алгебраическая аппроксимация и гладкая составляющая программируемой развертки опорного сигнала; S_y - сигнал управления; S_шим - выходной широтно-импульсный сигнал; U_вых - выходное напряжение статического преобразователя 6; Т - продолжительность периода модуляции; Δt - длительность составного весового коэффициента.

Предлагаемый способ широтно-импульсного управления статическим преобразователем заключается в следующем.

Одноканальный релятор 7 (5) аппаратурно воспроизводит базовые бинарные операции предикатной алгебры выбора (ПАВ), к которым относятся ПАВ-дизъюнкция (Λ) и ПАВ-конъюнкция (V)

где у₁, у₂ - предметные переменные, действующие на переключательных входах замыкающего 9 (13) и размыкающего 10 (14) ключей соответственно; х₁,х₂ - предикатные переменные, действующие на комнараторных входах дифференциального компаратора 8 (12), прямом и инверсном соответственно; I(x) - единичная функция, равная нулю при х<0 или единице при х≥0 и формируемая на выходе дифференциального компаратора 8(12).

Базовые бинарные операции (1), (2) осуществляют альтернативный выбор одной из двух предметных переменных либо у₁, либо у₂ по отношению сравнения предикатных переменных х₁ и х₂. Многократным повторением процедуры предметной суперпозиции, когда в качестве предметных переменных используются бинарные операции вида (1), (2), образуются многоместные операции ПАВ-дизъюнкции (Λ) и ПАВ-конъюнкции (V)

где у₁,...,у_N - предметные переменные; α_i, _i, - составные весовые коэффициенты, принимающие бинарные значения {0,1} и удовлетворяющие условиям комплементарности

Составной весовой коэффициент определяется произведением K=C² _(N-1)единичных функций

где К - количество бинарных отношений порядка на заданном наборе предикатных переменных х₁,...,х_(N-1), равное числу сочетаний из (N-1) элементов по два; есть либо

Определение составного весового коэффициента () заключается в составлении для i-й ситуации бинарных отношений порядка каждому из которых соответствует единичная функция . Произведение всех единичных функций для данной ситуации определяет соответствующий составной весовой коэффициент (5), (6).

Многоместные логические операции (3), (4) аппаратурно воспроизводит ситуационный аналоговый мультиплексор 4 при подаче на информационный вход с генератора 2 вспомогательного сигнала пилообразной формы

который разворачивается на периоде модуляции Т в пределах шкалы опорных напряжений U₁,...,U_i,...,U_N. (Здесь τ=t/T - локальное время на периоде модуляции.) В коммутационной матрице 3 подключением (на фиг.1 отмечено «*») горизонтальных шин к соответствующим вертикальным шинам (x₁,x₂,...,x_N-1) выполняется процедура отождествления предикатных переменных с опорными напряжениями

x₁=U₁; x₂=U₂; ... x_N-1=U_N-1

Тогда на каждом периоде широтно-импульсной модуляции повторяются следующие ситуации (фиг.2):

в каждой из которых формируется соответствующий составной весовой коэффициент

Необходимо отметить, что единичные функции I(S_B-0) и I(U_N-S_B) тождественно равны 1 при положительной полярности вспомогательного сигнала S_B пилообразной формы и амплитуде, равной U_N. Поэтому в ситуационном аналоговом мультиплексоре 4 каждый составной весовой коэффициент α_i(i≠1,i≠N) формируется парой одноканальных реляторов 7 с последовательно соединенными замыкающим ключом 9 в одном и размыкающим ключом 10 в другом (фиг.1), что соответствует конъюнкции единичных функций в соотношениях (7). Только составные весовые коэффициенты α_i и α_N согласно (7) формируются одним ключом, размыкающим 10 и замыкающим 9 соответственно в «крайних» одноканальных реляторах 7. В результате каждый одноканальный релятор 7 ситуационного аналогового мультиплексора 4 участвует в формировании двух смежных составных весовых коэффициентов α_i и α_i+1. Процедуру формирования составных весовых коэффициентов (7) поясняют временные диаграммы, представленные на фиг.2.

Подключением вертикальных шин (у₁,у₂,...,у_N) в коммутационной матрице 3 к горизонтальным шинам осуществляется процедура отождествления предметных переменных. В общем случае i-я предметная переменная у может отождествляться с j-м опорным напряжением U_j источника опорных напряжений 1, т.е. у_i=U_j. В результате на информационном выходе ситуационного аналогового мультиплексора 4 в процессе реализации многоместной логической операции (3) или (4) на каждом периоде модуляции Т формируется последовательность напряжений {...y_i-1=U_q, у_i=U_j, y_i+1=U_l...,}, которая является логико-алгебраической аппроксимацией S₀(y_i,N) гладкой составляющей S₀(t) развертки опорного сигнала, как показано на фиг.3. Продолжительность каждой ступени одинакова и равна Δt=T/N, а «высота» ступеней индивидуальна и определяется величиной одного из опорных напряжений U_j источника опорных напряжений 1. Точность аппроксимации определяется выбором соответствующей арности (N) многоместных логико-алгебраических операций (3), (4).

Изменением вариантов отождествления предметных переменных у_i и опорных напряжений U_j в коммутационной матрице 3 реализуется процедура коммутационного программирования логико-алгебраической аппроксимации S₀(y_i,N) опорного сигнала. В результате на информационный выход ситуационного аналогового мультиплексора 4 опорные напряжения U₁,...,U_N подаются в последовательности, обеспечивающей необходимую развертку опорного сигнала S_o(y_i,N), гладкая составляющая S₀(t) которого выделяется фильтром нижних частот 11.

Одноканальный релятор-модулятор 5 воспроизводит базовые бинарные операции (1), (2) при отождествлении предикатных переменных

x₁=S_o(t); x₂=S_y

с гладкой составляющей развертки опорного сигнала и с сигналом управления, а предметных переменных

y₁=U_M;y₂=-U_M

с положительным U_M и отрицательным (-U_M) напряжениями соответственно. В результате на выходе одноканального релятора-модулятора 5 формируется широтно-модулированный сигнал S_шим, который описывается бинарной операцией (1)

а при взаимозамещении предикатных переменных х₁↔х₂ или предметных переменных у₁↔у₂ - бинарной операцией (2)

Как видно из (8), (9), в процессе реализации базовых бинарных операций осуществляется сравнение гладкой составляющей развертки опорного сигнала программируемой формы S_o(t) с сигналом управления S_y, по результатам которого формируется выходная ШИМ-последовательность . При указанных вариантах отождествления предметных и предикатных переменных базовые бинарные операции в форме (8), (9) формируют взаимно инверсные ШИМ-последовательности и

Для определения величины ступеней логико-алгебраической аппроксимации S₀(y_i,N) опорного сигнала необходимо знать регулировочную характеристику

и задать требуемый вид передаточной характеристики «вход-выход» статического преобразователя 6

который в типовых случаях может быть линейным, параболическим, логарифмическим, экспоненциальным, а в общем случае - произвольным.

Здесь γ=t_И/T - относительная длительность управляющего импульса широтно-модулированной последовательности ; t_И - длительность управляющего импульса широтно-модулированной последовательности .

Совместное решение (10) и (11) устанавливает взаимосвязь между величиной сигнала управления S_y и относительной длительностью γ управляющих импульсов широтно-модулированной последовательности .

где f и f^-1 - взаимно-обратные функции, удовлетворяющие условию f^-1[f(S_y)]=S_y.

Формирование каждого импульса в широтно-модулированной последовательности как следует из (8), (9), начинается в случае модуляции фронта при линейно нарастающем сигнале S_B (фиг.2, сплошная линия) или заканчивается в случае модуляции среза при линейно спадающем сигнале S_B (фиг.2, пунктирная линия) наступлением равенства

которое выполняется к первом случае в момент γ=(1-τ), а во втором случае в момент γ=τ.

Подстановка (13) в (12) при одновременной замене γ=(1-τ) или γ=τ в зависимости от разновидности модуляции дает соотношения

,

которые позволяют определить развертку опорного сигнала на периоде модуляции для любого выбранного типа статического преобразователя 6 по критерию формирования требуемой передаточной характеристики (11). Достаточно с помощью (13) вычислить N дискретных отсчетов S₀(Δτ), S₀(2·Δτ), ..., S₀(j·Δτ), ..., S₀(N·Δτ)

с одинаковым шагом Δτ=1/N, которые определяют величину соответствующих ступеней логико-алгебраической аппроксимации S₀(y_i,N) опорного сигнала при отождествлении с одноименными предметными переменными

y₁=S₀(Δτ); y₂=S₀(2·Δτ); ...; y_i=S₀(i·Δτ); ...; y_N=S₀(N·Δτ).

В коммутационной матрице 3 соответствующими соединениями между горизонтальными шинами и группой вертикальных шин (у_1,y_2,...у_N) осуществляется фиксация каждой предметной переменной на ближайшем к расчетному значению дискретного отсчета уровне шкалы опорных напряжений U₁,...,U_i,...,U_N. Тогда в процессе функционирования устройства на информационном выходе ситуационного аналогового мультиплексора 4 формируется логико-алгебраическая аппроксимация S₀(y_i,N) опорного сигнала, обеспечивающая заданный вид (11) передаточной характеристики «вход-выход» статического преобразователя 6.

Для изменения передаточной характеристики достаточно изменить соединения в коммутационной матрице 3, т.е. выполнить процедуру коммутационного перепрограммирования развертки опорного сигнала.

В простейшем случае линеаризации передаточной характеристики «вход-выход» статического преобразователя 6

U_вых=K_сп·S_y

развертка опорного сигнала на периоде модуляции

должна повторить форму регулировочной характеристики, уменьшенную по величине (масштабированную) в К_сп раз. Здесь К_сп - коэффициент передачи «вход-выход» статического преобразователя 6.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить положительный эффект, который заключается в расширении функциональных возможностей за счет коммутационного программирования развертки опорного сигнала, обеспечивающего не только линеаризацию, но и формирование заданного вида передаточной характеристики «вход-выход» статических преобразователей.

Источники информации

1. Источники вторичного электропитания. / В.А.Головацкий, Г.Н.Гулякович, Ю.И.Конев и др./ Под редакцией Ю.И.Конева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 280 с.(рис.5.6, рис.5.7).

2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.(с.508-510, рис.12.2.1).

3. А.с. 481113 (СССР), МКИ Н02р 13/16, H02m 1/08. Способ временной задержки управляющих импульсов. / В.Н.Гребенчук, В.Ф.Шапошников. - Заявлено 28.03.72; опубл. 15.08.75. Бюл. №30.

Изобретение относится к области преобразовательной и импульсной техники и может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения, автономных инверторах, регуляторах переменного напряжения и в других типах статических преобразователей с нелинейной регулировочной характеристикой. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем коммутационного программирования развертки опорного сигнала и вида передаточной характеристики «вход-выход» статического преобразователя. Способ широтно-импульсного управления статическим преобразователем заключается в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал в виде пакета опорных импульсов различной амплитуды, который сравнивают с сигналом управления и формируют управляющие импульсы силовыми ключами статического преобразователя на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления. Для достижения поставленной цели в диапазоне значений сигнала управления формируют ранжированную в порядке возрастания шкалу опорных напряжений U₁<U₂<...<U_i<...U_N, разворачивают на периоде модуляции вспомогательный сигнал пилообразной формы с амплитудой, равной U_N, задают на шкале опорных напряжений N дискретных отсчетов S₀(Δτ), S₀(2·Δτ), ..., S₀(j·Δτ), ..., S₀(N·Δτ) развертки опорного сигнала и составляют пакет из N прямоугольных опорных импульсов в процессе воспроизведения многоместных N-арных логических операций предикатной алгебры выбора

v(y₁, K, y_N)=y₁·α₁+y₂·α₂+K+y_i·α_i+K+y_N·α_N,

при отождествлении дискретных отсчетов S₀(j·Δτ) с предметными переменными у_i и формировании временной последовательности бинарных значений {0,1} составных весовых коэффициентов, удовлетворяющих условиям комплементарности

α₁+α₂+K+α_i+K+α_N=1,

,

путем сравнения вспомогательного сигнала пилообразной формы с опорными напряжениями, осуществляют коммутационные перестановки между предметными переменными и дискретными отсчетами y_i↔S₀(j·Δτ) и выделяют гладкую составляющую развертки опорного сигнала. 3 ил.

Способ широтно-импульсного управления статическим преобразователем, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал в виде пакета опорных импульсов различной амплитуды, который сравнивают с сигналом управления и формируют управляющие импульсы силовыми ключами статического преобразователя на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления, отличающийся тем, что в диапазоне значений сигнала управления формируют ранжированную в порядке возрастания шкалу опорных напряжений U₁<U₂<...<U_i<...<U_N, разворачивают на периоде модуляции вспомогательный сигнал пилообразной формы с амплитудой равной U_N, задают на шкале опорных напряжений N дискретных отсчетов S₀(Δτ), S₀(2·Δτ), ..., S₀(j·Δτ), ..., S₀(N·Δτ) развертки опорного сигнала и составляют пакет из N прямоугольных опорных импульсов в процессе воспроизведения многоместных N-арных логических операций предикатной алгебры выбора

v(y₁,..., y_N)=y₁·α₁+y₂·α₂+...+y_i·α_i+...+y_N·α_N,

при отождествлении дискретных отсчетов S₀(j·Δτ) с предметными переменными у_i, и формировании временной последовательности бинарных значений {0,1} составных весовых коэффициентов, удовлетворяющих условиям комплементарности

путем сравнения вспомогательного сигнала пилообразной формы с опорными напряжениями, осуществляют коммутационные перестановки между предметными переменными и дискретными отсчетами y_i↔S₀S₀(j·Δτ) и выделяют гладкую составляющую развертки опорного сигнала,

U₁, U₂, ..., U_i, ..., U_N - шкала опорных напряжений;

S₀(Δτ), S₀(2·Δτ), ..., S₀(j·Δτ), ..., S₀(N·Δτ) - дискретные отсчеты развертки опорного сигнала;

v(y₁,...y_N, Λ(у₁, ..., y_N) - многоместные логические операции предикатной алгебры выбора;

N - арность многоместных логических операций;

У₁ ..., У_N - предметные переменные;

(α₁,_{..., αN), - составные весовые коэффициенты;}

Δτ - относительная продолжительность составных весовых коэффициентов.