высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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- ,

где q - оцениваемая точность стабилизации, =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.