способ управления преобразователем напряжения с двухзвенным фильтром

Формула изобретения

Способ управления преобразователем постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции напряжения питания и заключающийся в том, что измеряют пульсирующую составляющую входного тока фильтра как разность входного тока фильтра и тока нагрузки, формируют сигнал развертки из прогнозируемых на текущий момент коммутации значений пульсирующей составляющей входного тока фильтра с противоположным знаком, формируют управляющий сигнал из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей входного тока фильтра и сигнала развертки, переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, отличающийся тем, что дополнительно определяют сигнал рассогласования, пропорциональный переменной составляющей напряжения между выходом первого звена фильтра и выходом преобразователя, а сигнал ошибки вычисляют как разность между выходным напряжением преобразователя и напряжением задания с суммированием сигнала рассогласования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для систем с широтно-импульсным регулированием, оно может найти применение в управляемых источниках вторичного питания.

Известен способ управления преобразователем постоянного напряжения с двухзвенным фильтром, заключающийся в релейном управлении на основе скользящих режимов [1].

Недостаток известного способа заключается в том, что устойчивая работа преобразователя возможна в ограниченном диапазоне изменения параметров источника питания и нагрузки, сложности его реализации, так как требуется измерение большого количества координат системы и определение производной тока нагрузки, кроме того, при релейном способе управления частота коммутации ключевых элементов преобразователя меняется в широком диапазоне, что ухудшает электромагнитную совместимость аппаратуры.

Наиболее близким техническим решением является способ управления преобразователями напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции напряжения питания и заключающийся в том, что переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей входного тока фильтра и сигнала развертки, сигнал ошибки вычисляют как разность выходного сигнала и сигнала задания, а сигнал развертки формируют из прогнозируемых на текущий момент коммутации значений пульсирующей составляющей входного тока фильтра с противоположным знаком [2].

Известный способ управления основан на прогнозируемости приращения тока дросселя фильтра, поскольку

где i_C - ток конденсатора фильтра, то при подчиненном регулировании тока по уравнению обеспечивается апериодический характер переходного процесса по выходу х, так как вследствие отрицательной знакоопределенности отношения

где Т_д=k_m/k, ошибка x в переходном процессе только уменьшается, и во всем диапазоне регулирования в установившихся режимах в момент коммутации выполняется условие x(t_к)=0 за счет того, что сигнал развертки к моменту коммутации равен прогнозируемому значению пульсирующей составляющей тока дросселя фильтра с противоположным знаком .

Недостатком известного способа является то, что он не предназначен для управления преобразователями напряжения с двухзвенным фильтром.

Цель технического решения - расширение функциональных возможностей способа для управления преобразователями напряжения с двухзвенным фильтром.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления преобразователями постоянного напряжения, основанном на широтно-импульсной модуляции напряжения питания и заключающемся в том, что измеряют пульсирующую составляющую входного тока фильтра как разность входного тока фильтра и тока нагрузки, формируют сигнал развертки из прогнозируемых на текущий момент коммутации значений пульсирующей составляющей входного тока фильтра с противоположным знаком, формируют управляющий сигнал из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей входного тока фильтра и сигнала развертки, переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, дополнительно определяют сигнал рассогласования пропорциональный переменной составляющей напряжения между выходом первого звена фильтра и выходом преобразователя, а сигнал ошибки вычисляют как разность между выходным напряжением преобразователя и напряжением задания с суммированием сигнала рассогласования.

Сущность изобретения заключается в том, что формирование сигнала ошибки с учетом переменной составляющей напряжения между выходом первого звена фильтра и выходом преобразователя позволяет эффективно демпфировать колебания как между звеньями фильтра, так и колебания выходного напряжения преобразователя. При этом в установившемся режиме, при отсутствии колебаний сигнал ошибки определяется разностью выходного напряжения преобразователя и напряжением задания.

Предлагаемый способ реализует закон управления вида

где u₁ - выходное напряжение первого звена фильтра; u₂ - выходное напряжение второго звена фильтра, являющееся выходным напряжением преобразователя; u_оп - напряжение задания; - пульсирующая составляющая входного тока фильтра; k _m - коэффициент связи; Y_p - сигнал развертки; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({ } - дробная часть числа ); Т - длительность периода коммутации; VT - состояние ключевого элемента (при модуляции заднего фронта =1, при модуляции переднего фронта =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 .

На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения с двухзвенным фильтром и регулятором, реализующим предлагаемый способ управления, на фиг.2 - диаграммы выходного напряжения первого и второго звена фильтра при включении с нулевых начальных условий на сопротивление нагрузки 2,7 Ом с последующей коммутацией нагрузки в 5 ампер.

Преобразователь напряжения с двухзвенным фильтром и регулятором, реализующим предлагаемый способ управления (фиг.1), состоит из двух однозвенных LC-фильтров 1 и 2, ключевого элемента 3, нагрузки 4, двух датчиков тока 5 и 6, узла вычитания 7, блока вычисления сигнала ошибки 8, генератора пилообразного напряжения 9, узла формирования управляющего сигнала 10 и RS-триггера 11. Вход ключевого элемента 3 соединен с шиной напряжения питания U_п, выход ключевого элемента 3 соединена с входом LC-фильтра 1, выход LC-фильтра 1 соединен с шиной U₁ и входном LC-фильтра 2, выход LC-фильтра 2 соединен с шиной U₂ и с нагрузкой 4, датчик тока 5 включен во входную цепь LC-фильтра 1, датчик тока 6 включен в цепь нагрузки 4, входы узла вычитания 7 соединены с выходами датчиков тока 5 и 6, первый вход блока вычисления сигнала ошибки 8 соединен с шиной задания напряжения U_оп, второй вход блока вычисления сигнала ошибки 8 соединен шиной U₂ , третий вход блока вычисления сигнала ошибки 8 соединен с шиной U₁, первый вход генератора пилообразных напряжений 9 соединен с шиной U₁, второй вход генератора пилообразных напряжений 9 соединен с шиной U_п, третий вход генератора пилообразных напряжений 9 соединен с шиной временной координаты t_p, генератор пилообразных напряжений 9 имеет два выхода, первый вход узла формирования управляющего сигнала 10 соединен с выходом узла вычитания 7, второй вход узла формирования управляющего сигнала 10 соединен с выходом блока вычисления сигнала ошибки 8, третий вход узла формирования управляющего сигнала 10 соединен с первым выходом генератора пилообразных напряжений 9, входы RS-триггера 11 соединены с выходом узла формирования управляющего сигнала 10 и со вторым выходом генератора пилообразных напряжений 9, выход RS-триггера 11 соединен с управляющим входом ключевого элемента 3.

На выходе датчика тока 5 формируется сигнал i, равный входному току LC-фильтра 1, на выходе датчика тока 6 формируется сигнал i_н, равный току нагрузки 4, на выходе узла вычитания 7 в соответствии с выражением i-i_н формируется сигнал , равный пульсирующей составляющей тока дросселя LC-фильтра 1, на выходе блока вычисления сигнала ошибки 8 формируется сигнал ошибки x в соответствии с выражением u₁+ (u₁-u₂)-u_оп, на первом выходе генератора пилообразного напряжения 9 формируется сигнал пилообразного напряжения Y_p, который к моменту коммутации ключевого элемента 3 равен пульсирующей составляющей тока дросселя LC-фильтра 1 [2], на втором выходе генератора пилообразного напряжения 9 формируется сигнал t₀ синхронизации, на выходе узла формирования управляющего сигнала 10 формируется сигнал F в соответствии с выражением , на выходе RS-триггера 11 формируется сигнал VT, который управляет переключением ключевого элемента 3 в соответствии с законом управления (1).

Диаграммы выходных напряжений первого и второго звена фильтра при включении с нулевых начальных условий на сопротивление нагрузки 2,7 Ом с последующей коммутацией нагрузки в 5 А (фиг.2) преобразователя с двухзвенным фильтром и параметрами: напряжение питания U_п=50 В; заданное выходное напряжение U_оп=27 В; частоте коммутации ключевого элемента f=50 кГц; индуктивности и емкости первого звена фильтра L₁=100 мкГ, C₁=20 мкФ; индуктивности и емкости второго звена фильтра L₁=100 мкГ, С₁ =20 мкФ; коэффициентах k_m=1,3 и =1,14 показывают, что предложенный способ управления эффективно демпфирует колебания между звеньями фильтра, а также колебания выходного напряжения при высоком быстродействии (длительность переходного процесса не превышает 0,3 мс).

ЛИТЕРАТУРА

1. Озеров Л.А., Разнополов О.А., Штепсель Ю.Б. Синтез управления импульсным стабилизатором с двухзвенным фильтром на основе скользящих режимов // Электричество. 1990. № 7. С.77-79.

2. Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф., Тихонов Е.Г. Синтез управления следящими инверторами систем электропитания // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. № 6. С 20-25.