ВЫСОКОТОЧНЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ СТАБИЛИЗАТОРОМ ТОКА Российский патент 2011 года по МПК H02M3/335 

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока относится к области электротехники, а именно к способам управления постоянным током, и может быть использован для построения мощных лабораторных импульсных источников стабилизированного постоянного тока.

Известен способ широтно-импульсного управления стабилизатором тока в нагрузке [1], обеспечивающий стабильность среднего значения тока, при этом через нагрузку течет импульсный ток постоянной частоты и амплитуды с изменяющейся скважностью.

Недостатком способа является тот факт, что для стабилизации тока выходной цепи осуществляется контроль с помощью резистивного датчика тока во входной цепи стабилизатора, тем самым не учитывается влияние саморазогрева ключа управления. Это приводит к ухудшению стабилизации среднего значения выходного тока, что предъявляет повышенные требования к подбору ключа управления на этапе наладки устройства.

Известен принятый в качестве прототипа способ управления импульсным стабилизатором тока [2], основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнала управления инвертором. Способ заключается в том, что измеряют текущее значение стабилизируемого тока, сравнивают его с заданным значением, формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, трансформируют переменное напряжение с выхода инвертора, выпрямляют и сглаживают выходной ток.

Недостатком прототипа является то, что стабилизация выходного тока производится в результате сравнения заданного значения тока с выделяемой при помощи пикового детектора в выходной цепи инвертора амплитудой переменного тока, которая отождествляется с текущим значением стабилизируемого постоянного тока цепи нагрузки. На самом деле существенное различие между значением выделяемой детектором амплитуды переменного тока в выходной цепи инвертора и значением стабилизированного постоянного тока в цепи нагрузки обусловлено тепловыми потерями в цепи трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра. Способ не обеспечивает заданную высокую точность стабилизации для использования в прецизионных стабилизаторах постоянного тока. Еще один недостаток - прототип не позволяет динамически корректировать параметр скважности управляющего ШИМ-сигнала в условиях изменения режима нагрузки, что ограничивает возможности по улучшению и достижению высокой точности управления стабилизатором постоянного тока.

Заявляемый способ управления импульсным стабилизатором тока обеспечивает высокую точность стабилизации выходного тока не менее 99,98% (нестабильность не более 0,02%) и позволяет установить заданное значение тока в широком диапазоне от 1 и до 25 А.

Сущность изобретения

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигнала управления инвертором, заключающийся в том, что измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают его и сохраняют в памяти микроконтроллера, вычисляют программным способом скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока и только после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора без предварительной трансформации.

В заявляемом способе в определенные тактовые моменты времени измеряют ток, протекающий через нагрузку, затем его оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и сохраняют в памяти микроконтроллера (МК). При этом перед записью текущего значения тока в памяти МК всегда хранится m соответствующих предыдущим тактовым моментам времени значений тока, из которых первое значение, предшествующее остальным значениям, удаляют со сдвигом всей последовательности на одну позицию, а текущее значение сохраняют в конце последовательности. Параметр m определяют в соответствии с требуемым качеством стабилизации выходного тока.

Заданное пользователем значение тока, а также последовательность из m значений выходного тока стабилизатора, хранимых в оперативной памяти МК и включающих в себя текущее измеренное значение, используют для вычисления «прогнозного» значения параметра скважности ШИМ-сигнала управления инвертором с помощью соответствующей программы МК. Определенное таким способом значение скважности ШИМ-сигнала позволяет с достаточно высокой вероятностью прогнозировать дальнейшее изменение величины выходного тока и тем самым компенсировать это изменение соответствующим изменением скважности ШИМ-сигнала управления инвертором.

Точность стабилизации напрямую зависит от разрядности АЦП и оценивается известным выражением:

q=1-ε,

где q - оцениваемая точность стабилизации, ε=1/2ⁿ - погрешность стабилизации; n - разрядность аналого-цифрового преобразования.

Для предотвращения «модуляции» выходного тока в цепи нагрузки, связанной с ошибками в квантовании скважности управляющего ШИМ-сигнала, и обеспечения устойчивой стабилизации разрядность ШИМ-контроллера выбирают исходя из условия превышения его разрядности над разрядностью АЦП, что не может быть обеспечено стандартными модулями ШИМ-контроллеров, входящих в состав МК. Поэтому цифровой ШИМ-контроллер в данном случае реализуют на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), в программной конфигурации которой формируют функциональные блоки: счетчик импульсов, генератор прямоугольного напряжения и регистр скважности. Работа ШИМ-контроллера заключается в том, что счетчик считает импульсы от генератора прямоугольного напряжения, при совпадении значения счетчика со значением в регистре скважности схема формирования выходного сигнала формирует фронт управляющего сигнала. При переполнении счетчика происходит сброс и генерация спада управляющего сигнала.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит инвертор 2, вход которого через входной фильтр 1 соединен с источником электрической энергии. Выход инвертора 1 подключен к входу выпрямителя 3, выход которого через выходной фильтр 4 подключен к нагрузке 5, последовательно с которой включен прецизионный низкоомный шунт 6. Сигнал с шунта 6 подается на АЦП 8 через предусилитель 7. Дискретная величина с выхода АЦП 8 поступает в МК 9, который вычисляет оценку параметра скважности ШИМ-сигнала и передает ее в цифровой ШИМ-контроллер 10, который непосредственно управляет работой инвертора 1. Устройство работает следующим образом.

Входной фильтр 1 сглаживает пульсации от нестабилизированного источника напряжения, например от низкочастотного трансформатора с выпрямителем, подключенного к сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. Инвертор 2 пропорционально скважности управляющего сигнала формирует на выходе импульсный ток, который (без какой-либо трансформации) поступает непосредственно на выпрямитель 3. Выпрямитель 3 преобразует импульсный ток с выхода инвертора в постоянный, который затем сглаживается с помощью выходного фильтра 4 и подается в нагрузку 5, в цепи которой последовательно включен прецизионный низкоомный шунт 6. Напряжение с шунта 6, которое, согласно закону Ома, пропорционально току, поступает на АЦП 8 через предусилитель 7, который преобразует напряжение, снимаемое с шунта 6, до необходимого уровня в соответствии с динамическим диапазоном входного напряжения на АЦП 8. Дискретное значение выходного напряжения АЦП 8 передается в МК 9, где пересчитывается в цифровые значения тока. МК 9 определяет «прогнозную» численную оценку значения скважности и передает ее в цифровой ШИМ-контроллер 10, который формирует сигнал прямоугольной формы для управления инвертором 1.

Тестирование способа

Изготовленный импульсный стабилизатор тока, применяемый для питания «температурной эталонной» лампы накаливания ТРУ 1100-2350 в качестве модели «абсолютно черного тела», используют для тестирования способа в отношении заявленной точности стабилизации тока.

Для гарантирования минимальной погрешности на температуру эталона, указанной в паспорте лампы, требуется точность стабилизации не менее 99,95% (нестабильность не более 0,05%). Выбирают микроконтроллер с разрядностью 32 бита, АЦП с разрядностью 14 бит и ШИМ-контроллер с разрядностью 16 бит. Инвертор и выпрямитель реализуют по стандартной понижающей схеме на основе двух полевых транзисторов, катушки индуктивности и конденсатора.

Для тестирования способа выбирают значения в начале, середине и в конце диапазона выходного тока: 1,0199 А, 15,889 А, 24,949 А. Изменения выходного тока стабилизатора в установившихся режимах для указанных значений тока представлены в таблицах 1-3. Промежуток времени между соседними отсчетами соответствует 0,1 с. Время выхода на номинальный режим работы занимает 0,7 с. Технический результат заключается в повышенной стабилизации тока, протекающего через нагрузку без предварительной трансформации, и возможности регулирования тока в широких пределах с заданной точностью, а также улучшением технологичности стабилизатора тока.

Таким образом, заявляемый способ, основанный на адаптации параметра скважности ШИМ-сигнала управления инвертором к динамике изменения режимов нагрузки, позволяет обеспечить высокую точность стабилизации выходного тока стабилизатора не менее 99,98% в широком диапазоне значений от 1 до 25 А.

Таблица 1 Изменение выходного тока стабилизатора для значения 1,0199 А № Ток, А № Ток, А 1 1,0200 26 1,0199 2 1,0201 27 1,0199 3 1,0201 28 1,0197 4 1,0200 29 1,0198 5 1,0199 30 1,0199 6 1,0198 31 1,0201 7 1,0197 32 1,0199 8 1,0199 33 1,0200 9 1,0201 34 1,0198 10 1,0198 35 1,0198 11 1,0200 36 1,0200 12 1,0198 37 1,0201 13 1,0199 38 1,0199 14 1,0200 39 1,0200 15 1,0199 40 1,0198 16 1,0199 41 1,0200 17 1,0200 42 1,0200 18 1,0200 43 1,0199 19 1,0199 44 1,0200 20 1,0199 45 1,0201 21 1,0201 46 1,0199 22 1,0198 47 1,0199 23 1,0198 48 1,0200 24 1,0201 49 1,0201 25 1,0201 50 1,0197

Данные приведены в промежутке времени 5 с (интервал между соседними точками отсчета - 0,1 с).

Таблица 2 Изменение выходного тока стабилизатора для значения 15,889 А № Ток, А № Ток, А 1 15,890 26 15,888 2 15,887 27 15,892 3 15,892 28 15,888 4 15,892 29 15,890 5 15,887 30 15,890 6 15,891 31 15,888 7 15,890 32 15,888 8 15,892 33 15,891 9 15,888 34 15,890 10 15,891 35 15,891 11 15,890 36 15,890 12 15,889 37 15,889 13 15,891 38 15,888 14 15,887 39 15,890 15 15,890 40 15,891 16 15,888 41 15,891 17 15,888 42 15,887 18 15,891 43 15,890 19 15,888 44 15,888 20 15,888 45 15,890 21 15,889 46 15,887 22 15,891 47 15,890 23 15,888 48 15,891 24 15,891 49 15,890 25 15,891 50 15,887

Данные приведены в промежутке времени 5 с (интервал между соседними точками отсчета - 0,1 с).

Таблица 3 Изменение выходного тока стабилизатора для значения 24,949 А № Ток, А № Ток, А 1 24,951 26 24,952 2 24,951 27 24,945 3 24,952 28 24,953 4 24,947 29 24,952 5 24,945 30 24,949 6 24,950 31 24,946 7 24,946 32 24,953 8 24,946 33 24,949 9 24,947 34 24,950 10 24,947 35 24,951 11 24,950 36 24,951 12 24,948 37 24,952 13 24,948 38 24,950 14 24,952 39 24,952 15 24,948 40 24,948 16 24,953 41 24,952 17 24,950 42 24,953 18 24,949 43 24,952 19 24,948 44 24,948 20 24,953 45 24,953 21 24,953 46 24,946 22 24,950 47 24,949 23 24,950 48 24,953 24 24,953 49 24,949 25 24,951 50 24,951

Данные приведены в промежутке времени 5 с (интервал между соседними точками отсчета - 0,1 с).

Источники информации

1. Жуков В., Косенко В., Косенко С. ШИ-Стабилизатор тока. - Радио, 1999, №5, с.34-35.

2. Патент РФ №2366067, МПК H02M 3/335.

Способ относится к области электротехники и может быть использован для построения мощных лабораторных импульсных источников стабилизированного постоянного тока. Способ заключается в том, что измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают его и сохраняют в памяти микроконтроллера, вычисляют программным способом скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока и только после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора. Технический результат заключается в повышенной стабилизации тока не менее 99,98%, протекающего через нагрузку без предварительной трансформации, и возможности регулирования тока в широком диапазоне значений от 1 до 25 А. 3 табл., 1 ил.

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигнала управления инвертором, заключающийся в том, что измеряют текущее значение стабилизируемого тока, формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, выпрямляют и сглаживают выходной ток, отличающийся тем, что измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера, вычисляют программным способом скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока и только после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора без предварительной трансформации.