СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК H02M3/335 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен релейный способ управления преобразователем напряжения, заключающийся в том, что переключение ключевого элемента осуществляют по изменению знака энергетического баланса между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении [1].

При этом закон управления коммутацией ключевого элемента соответствует выражению

$$\begin{array}{l}{F}_{э}=C\left(U_{н}^2-U_{оп}^2\right)+L{\left(I_L-I_{н}\right)}^{2}SGN\left(I_L-I_{н}\right);\left(1\right)\\ F_{к}=\{\begin{array}{c}1приF_{э}+\alpha <\mathrm{0,}{\dot{F}}_{э}<0\\ 0приF_{э}-\alpha >\mathrm{0,}{\dot{F}}_{э}>0\end{array}\end{array}$$

где F_э - управляющий сигнал; U_н, U_оп - выходное и заданное напряжения; L, С - индуктивность дросселя и емкость конденсатора фильтра; (I_L-I_н) - ток конденсатора; I_L - ток дросселя; I_н - выходной ток; α - величина гистерезиса; F_к - сигнал управляющий состоянием ключевого элемента (при F_к=1 включено, при F_к=0 выключено).

Регулятор преобразователя напряжения, реализующего известный релейный способ управления, содержит узел суммирования и два узла вычисления текущих значений, соответственно энергии пульсирующей составляющей тока дросселя фильтра и энергии необходимой конденсатору фильтра для достижения заданного выходного напряжения.

Первый вход первого узла вычисления соединен с выходом датчика тока, включенного в цепь дросселя фильтра, второй вход первого узла вычисления соединен с выходом датчика тока, включенного в цепь нагрузки, первый вход второго узла вычисления соединен с выходным выводом преобразователя напряжения, второй вход второго узла вычисления соединен с выводом напряжения задания, выходы обоих узлов вычисления соединены с входами узла суммирования, выход узла суммирования соединен с управляющим входом ключевого элемента преобразователя напряжения [1].

В известном устройстве коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии со знаком текущего значения уравнения энергетического баланса энергии, запасенной в элементах LC-фильтра, и ее значении при заданном напряжении, что обеспечивает минимальную длительность и апериодический характер переходного процесса.

Однако, поскольку значения энергетического баланса пропорциональны второй степени напряжения и тока конденсатора фильтра, то частота коммутации ключевого элемента меняется в широком диапазоне, что ухудшает электромагнитную совместимость аппаратуры.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления преобразователем постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции напряжения питания ключевым элементом, заключающийся в том, что вычисляют сигнал рассогласования, как разность выходного сигнала системы и сигнала задания, формируют пилообразный сигнал развертки с амплитудой, пропорциональной разности напряжений на индуктивности дросселя фильтра до и после коммутации ключевого элемента и смещенного на величину, пропорциональную напряжению на индуктивности дросселя фильтра после коммутации ключевого элемента, из суммы сигнала рассогласования и сигнала развертки формируют управляющий сигнал, переключение ключевого элемента осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами [2].

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

$$\begin{array}{l}{F}_{у}=x+K_{с}{Y}_{р};\\ Y_{р}=\frac{1}{T}{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\left(U_L^{\text{'}}-U_L^{"}\right)}dt+U_L^{"};\left(2\right)\\ F_{к}=\{\begin{array}{c}\theta приt<t_{к};\\ \overline{\theta }приt>t_{к},\end{array}\end{array}$$

где F_у - управляющий сигнал; х=U_н-U_оп - сигнал рассогласования; U_н, U_оп - выходное и заданное напряжения; Y_р - сигнал развертки; К_с - коэффициент связи; , $$U_L^{"}$$ - напряжения на индуктивности дросселя до и после коммутации ключевого элемента; Т - длительность периода коммутации; F_к - сигнал, переключающий ключевой элемент (при F_к=1 включено, при F_к=0 выключено); t_к - момент коммутации ключевого элемента определяется корнем уравнения F_у=0 (при модуляции заднего фронта если $${\dot{F}}_{у}<0$$ , принимая $$U_L^{\text{'}}=U_{п}-U_{оп}$$ , $$U_L^{"}=-U_{оп}$$ , θ=1, при модуляции переднего фронта если $${\dot{F}}_{к}>0$$ , принимая $$U_L^{\text{'}}=-U_{оп}$$ , $$U_L^{"}=U_{п}-U_{оп}$$ , θ=0,); U_п - напряжение питания.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является преобразователь напряжения, регулятор которого содержит блок развертки, узел сравнения, узел суммирования и RS-триггер, блок развертки имеет три входа, первый вход блока развертки соединен с входом напряжения питания преобразователя напряжения, второй вход блока развертки соединен с выводом сигнала задания, третий вход блока развертки соединен с выводом синхронизующего сигнала, первый вход узла сравнения соединен с выходом преобразователя напряжения, второй вход узла сравнения соединен с выводом сигнала задания, первый вход узла суммирования соединен с выходом блока развертки, второй вход узла суммирования соединен с выходом узла сравнения, первый вход RS-триггера соединен с выходом узла суммирования, второй вход RS-триггера соединен с выводом синхронизующего сигнала, выход RS-триггера соединен с управляющим входом ключевого элемента преобразователя напряжения [2].

Известный способ управления основан на критерии равенства нулю в установившемся режиме среднего за период модуляции значения напряжения на индуктивности дросселя фильтра, который реализуется формированием сигнала развертки, пропорциональным среднему за период модуляции значению напряжения на индуктивности дросселя фильтра при условии коммутации ключевого элемента в текущий момент времени, что обеспечивает в установившемся режиме коммутацию ключевого элемента при нулевом значении сигнала ошибки во всем диапазоне регулирования.

Недостатком известного способа управления является то, что он не гарантирует качества динамических характеристик.

Цель изобретения состоит в обеспечении высокого быстродействия и апериодического характера переходного процесса в преобразователе напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления преобразователем постоянного напряжения, основанном на широтно-импульсной модуляции напряжения питания ключевым элементом, заключающемся в том, что вычисляют сигнал рассогласования, формируют пилообразный сигнал развертки с амплитудой, пропорциональной разности напряжений на индуктивности дросселя фильтра до и после коммутации ключевого элемента и смещенного на величину, пропорциональную напряжению на индуктивности дросселя фильтра после коммутации ключевого элемента, из суммы сигнала рассогласования и сигнала развертки формируют управляющий сигнал, переключение ключевого элемента осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, при этом сигнал рассогласования формируют пропорциональным энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении, управление преобразователем напряжения реализуют в соответствии с законом вида

$$\begin{array}{l}{F}_{у}=F_{э}+K_{с}{Y}_{р};\\ F_{э}=C\left(U_{н}^2-U_{оп}^2\right)+L{\left(I_L-I_{н}\right)}^{2}SGN\left(I_L-I_{н}\right);\\ Y_{р}=\frac{1}{T}{\displaystyle \underset{0}{\overset{t_{р}}{\int }}\left(U_L^{\text{'}}-U_L^{"}\right)}dt+U_L^{"};\left(3\right)\\ F_{к}=\{\begin{array}{c}\theta приt<t_{к};\\ \overline{\theta }приt>t_{к},\end{array}\end{array}$$

где F_у - управляющий сигнал; F_э - сигнал рассогласования; U_н, U_оп - выходное и заданное напряжения; Y_p - сигнал развертки; L, С - индуктивность дросселя и емкость конденсатора фильтра; (I_L-I_н) - ток конденсатора; I_L - ток дросселя; I_н - выходной ток; $$U_L^{\text{'}}$$ , $$U_L^{"}$$ - напряжения на индуктивности дросселя до и после коммутации ключевого элемента; Т - длительность периода коммутации; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({t/T} - дробная часть выражения t/T); F_к - сигнал, переключающий ключевой элемент (при F_к=1 включено, при F_к=0 выключено); t_к - момент коммутации ключевого элемента определяется корнем уравнения F_у=0 (при модуляции заднего фронта если $${\dot{F}}_{у}<0$$ , принимая $$U_L^{\text{'}}=U_{п}-U_{оп}$$ , $$U_L^{"}=-U_{оп}$$ , θ=1, при модуляции переднего фронта если $${\dot{F}}_{к}>0$$ , принимая $$U_L^{\text{'}}=-U_{оп}$$ , $$U_L^{"}=U_{п}-U_{оп}$$ , θ=0,); U_п - напряжение питания.

Сущность изобретения заключается в том, что сигнал рассогласования формируют пропорциональным энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении, а устойчивость периодических режимов на частоте широтно-импульсной модуляции обеспечивают формированием пилообразного сигнала развертки с крутизной, превышающей крутизну изменения сигнала рассогласования

$${\frac{{А}_{р}}{T}>\frac{d{F}_{э}}{dt}|}_{м}$$ ,

где А_р - амплитуда сигнала K_сY_р.

Для реализации предложенного способа управления, в регулятор преобразователя напряжения, содержащего блок развертки, узел суммирования и RS-триггер, первый вход блока развертки соединен с входом напряжения питания преобразователя напряжения, второй вход блока развертки соединен с выводом сигнала задания, третий вход блока развертки соединен с выводом синхронизующего сигнала, второй вход узла суммирования соединен с выходом блока развертки, первый вход RS-триггера соединен с выходом узла суммирования, второй вход RS-триггера соединен с выводом синхронизующего сигнала, выход RS-триггера соединен с управляющим входом ключевого элемента преобразователя напряжения, дополнительно введен блок рассогласования, который имеет четыре входа, первый вход блока рассогласования соединен с выводом датчика тока, включенного в цепь дросселя, второй вход блока рассогласования соединен с выводом датчика тока, включенного в выходную цепь преобразователя, третий вход блока рассогласования соединен с выходным выводом преобразователя напряжения, четвертый вход блока рассогласования соединен с выводом сигнала задания, выход блока рассогласования соединен с первым входом узла суммирования.

На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения с устройством, реализующим предлагаемый способ управления; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов, пропорциональных текущим значениям выходного напряжения U_н, тока дросселя I_L, сигнала переключающего ключевой элемент F_к и сигнала рассогласования F_э при пуске преобразователя с нулевых начальных условий и развернутые диаграммы начала участка скольжения (t=0,26-0,36 мс) и установившегося режима (t=1,9-2,0 мс).

Силовая часть преобразователя напряжения (фиг.1) состоит из ключевого элемента 1, дросселя 2, диода 3, конденсатора 4, и двух датчиков тока 5 и 6, второй вывод ключевого элемента 1, первый вывод дросселя 2 и второй вывод диода 3 соединены между собой, выводы конденсатора 4 соединены с выходной шиной U_н и с общей шиной U₀, датчик тока 5 включен в цепь дросселя 2, датчик тока 6 - в выходную цепь преобразователя, управляющий вход ключевого элемента 1 соединен с шиной переключающего сигнала F_к, выходом датчика тока 5 является вывод I_L, выходом датчика тока 6 - вывод I_н, первый вывод ключевого элемента 1 соединен с входной шиной питания U_п, первый вывод диода 3 - с общей шиной U₀, второй вывод дросселя 2-е выходной шиной U_н.

Устройство, реализующее предложенный способ управления (фиг.1), состоит из блока рассогласования 7, вычисляющего сигнал рассогласования F_э, блока развертки 8 формирующего пилообразный сигнал развертки Y_р, узла суммирования 9, формирующего управляющий сигнал F_у и триггера 10, формирующего сигнал F_к, переключающий ключевой элемент 1. Первые два входа блока рассогласования 7 соединены с выходами I_L и I_н датчиков тока 5 и 6, третий вход блока рассогласования 7 соединен с выходной шиной U_н преобразователя, четвертый вход блока рассогласования 7 и первый вход блока развертки 8 соединены с шиной задания выходного напряжения U_оп, второй вход блока развертки 8 соединен с входной шиной питания U_п, третий вход блока развертки 8 соединен с шиной синхронизации F_c, входы узла суммирования 9 соединены с выходами блоков 7 и 8, первый вход триггера 10 соединен с выходом узла суммирования 9, второй вход триггера 10 соединен с шиной синхронизации F_c, выход триггера 10 соединен с шиной переключающего сигнала F_к.

Преобразователь напряжения с устройством, реализующим предложенный способ управления, работает следующим образом: блок рассогласования 7 формирует сигнал рассогласования F_э в соответствии с выражением

$$F_{э}=C\left(U_{н}^2-U_{оп}^2\right)+L{\left(I_L-I_{н}\right)}^{2}SGN\left(I_L-I_{н}\right)$$ ,

которое пропорционально энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении.

Блок развертки 8 формирует пилообразный сигнал развертки Y_p в соответствии с выражением

$$Y_{р}=\frac{1}{T}{\displaystyle \underset{0}{\overset{t_{р}}{\int }}\left(U_L^{\text{'}}-U_L^{"}\right)}dt+U_L^{"}$$ ,

которое в преобразователях напряжения с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта (для которых $$U_L^{\text{'}}=U_{п}-U_{оп}$$ , $$U_L^{"}=-U_{оп}$$ ) преобразуют к виду

$$Y_{р}=\frac{U_{п}{t}_{р}}{T}-U_{оп}$$ ,

а в преобразователях напряжения с широтно-импульсной модуляцией переднего фронта (для которых $$U_L^{\text{'}}=-U_{оп}$$ , $$U_L^{"}=U_{п}-U_{оп}$$ ) - к виду

$$Y_{р}=\frac{-U_{п}{t}_{р}}{T}+\left(U_{п}-U_{оп}\right)$$ .

На выходе узла суммирования 9 формируют управляющий сигнал F_у в соответствии с выражением

F_у=F_э+K_сY_р,

при этом K_с выбирают по условию

$${\frac{{А}_{р}}{T}>\frac{d{F}_{э}}{dt}|}_{м}$$ ,

где А_р - амплитуда сигнала K_сY_р.

Триггер 10 включает ключевой элемент 1 при появлении синхроимпульса F_c и отключает его при положительном значении управляющего сигнала F_у.

На фиг.2 показана работа устройства управления и преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией заднего фронта и с параметрами: напряжение питания U_п=35 В, заданное напряжение U_оп=27 В, сопротивление нагрузки R_н=2,7 Ом, емкость конденсатора 4-1000 мкФ, индуктивность дросселя 2-0,1 мГн, амплитуда пилообразного сигнала развертки А_р=1,9 В (K_с=1,9/U_п), длительность периода сигнала развертки Т=20 мкс.

При пуске преобразователя напряжения с нулевых начальных условий (фиг.2) на участке t от 0 до 265 мкс ток I_L дросселя 2 увеличивается от 0 до 79 А, выходное напряжение U_н увеличивается от 0 до 11 В, ключевой элемент 1 включен (F_к=1), текущее значение энергетического баланса F_э изменяется от -0,729 до 0,0012 В; на участке t от 0,265 до 0,66 мс ток I_L дросселя 2 уменьшается от 79 до 9,3 А, выходное напряжение U_н увеличивается от 11 до 27 В, амплитуда изменения текущих значений энергетического баланса F_э меняется от 6,5 В (на участке t=0,34÷0,36 мс) до 0,13 В (на участке t=1,14÷1,16 мс), в установившемся режиме (t>1,18 мкс) ток дросселя 2 $$I_L={10}_{-\mathrm{0,7}}^{+\mathrm{0,7}}A$$ , выходное напряжение $$U_{н}={27}_{+\mathrm{0,005}}^{+0}В$$ , текущее значение энергетического баланса $$F_{э}=-{\mathrm{0,2}}_{-\mathrm{0,005}}^{+\mathrm{0,02}}В$$ , длительность периода модуляции во всех режимах Т=20 мкс.

Таким образом, формирование сигнала рассогласования F_э, пропорционального энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении, обеспечивает минимальную длительность и апериодический характер переходного процесса в преобразователе напряжения с широтно-импульсной модуляцией. При этом максимальное значение статического рассогласования между выходным напряжением преобразователя и заданным напряжением не превысит величины пульсации выходного напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф. Формирование управления по балансу необходимой и накопленной в системе энергии // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №5. С.17-20.

2. Патент РФ №2216764, G05F 1/56, опубл. 20.11.2003, Бюл. №32.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Технический результат заключается в осуществлении высокого быстродействия и апериодического характера переходного процесса в преобразователе напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Для этого в заявленном способе, основанном на широтно-импульсной модуляции напряжения питания ключевым элементом, вычисляют сигнал рассогласования, формируют пилообразный сигнал развертки с амплитудой, пропорциональный разности напряжений на индуктивности дросселя фильтра до и после коммутации ключевого элемента и смещенного на величину, пропорциональную напряжению на индуктивности дросселя фильтра после коммутации ключевого элемента, из суммы сигнала рассогласования и сигнала развертки формируют управляющий сигнал, переключение ключевого элемента осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, а сигнал рассогласования формируют пропорциональным энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении. В заявленном устройстве содержится блок развертки, ключевой элемент, узел суммирования и RS-триггер, введены блок рассогласования и датчики тока. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления преобразователем постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции напряжения питания ключевым элементом, заключающийся в том, что вычисляют сигнал рассогласования, формируют пилообразный сигнал развертки с амплитудой, пропорциональной разности напряжений на индуктивности дросселя фильтра до и после коммутации ключевого элемента, и смещенный на величину, пропорциональную напряжению на индуктивности дросселя фильтра после коммутации ключевого элемента, из суммы сигнала рассогласования и сигнала развертки формируют управляющий сигнал, переключение ключевого элемента осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, отличающийся тем, что сигнал рассогласования формируют пропорциональным энергетическому балансу между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении.

2. Устройство управления преобразователем напряжения, содержащее блок развертки, узел суммирования и RS-триггер, блок развертки которого имеет три входа, первый вход блока развертки соединен с входом напряжения питания преобразователя напряжения, второй вход блока развертки соединен с выводом сигнала задания, третий вход блока развертки соединен с выводом синхронизующего сигнала, второй вход узла суммирования соединен с выходом блока развертки, первый вход RS-триггера соединен с выходом узла суммирования, второй вход RS-триггера соединен с выводом синхронизующего сигнала, выход RS-триггера соединен с управляющим входом ключевого элемента преобразователя напряжения, для реализации способа управления по п.1 дополнительно введен блок рассогласования, который имеет четыре входа, первый вход блока рассогласования соединен с выводом датчика тока, включенного в цепь дросселя, второй вход блока рассогласования соединен с выводом датчика тока, включенного в выходную цепь преобразователя, третий вход блока рассогласования соединен с выходным выводом преобразователя напряжения, четвертый вход блока рассогласования соединен с выводом сигнала задания, выход блока рассогласования соединен с первым входом узла суммирования.