Способ управления преобразователем напряжения

Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в импульсных преобразователях постоянного напряжения, широко применяемых для управления электроприводами и регуляторами систем электропитания. Техническим результатом является ограничение частоты коммутации ключевого элемента преобразователя в переходных режимах. В способе управления преобразователем напряжения переключение ключевого элемента по изменению знака энергетического баланса между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении осуществляют с задержкой, что аналогично введению гистерезиса, пропорционального скорости изменения текущего значения энергетического баланса. 2 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для импульсных преобразователей постоянного напряжения, оно может найти широкое применение в управлении электроприводами и регуляторами систем электропитания.

Известен релейный способ управления, заключающийся в переключении ключевого элемента по изменению знака управляющего сигнала, определяемого как функция Гамильтона - полная энергия управляемой системы [1],

где p_i(t) - элементы вектора количества движения системы; b_ik(t) - элементы вектора параметров системы.

Известный способ управления обеспечивает управление по минимуму времени, однако, требует определения текущих значений p_i(t), которые нелегко найти аналитически. В практических реализациях известного способа управления для определения текущих значений p_i(t) используется дополнительная модель сопряженной системы или алгоритмическая стратегия поиска параметров, обеспечивающих оптимальность процесса [1].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления преобразователем напряжения, основанный на поддержании равенства между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значении при заданном напряжении [2, 3]

где U_oп - заданное напряжение; х_к=U_н-U_оп - рассогласование между выходным и заданным напряжением; - постоянная времени фильтра; L - индуктивность дросселя; С - емкость выходного конденсатора;

y_к - производная сигнала ошибки (y_к=I_C/C, I_C=I_L-I_н); I_C - ток выходного конденсатора; I_L - ток дросселя; I_н - ток нагрузки.

В известном способе управления переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют по изменению знака текущих значений энергетического баланса, уравнение для расчета которых получено из формулы (2)

где F_э - текущие значения энергетического баланса; SGN(I_L-I_н) - знак тока выходного конденсатора (определяет знак пульсирующей составляющей энергии дросселя); α - величина гистерезиса (вводится для ограничения частоты переключения [4]); F_к - состояние ключевого элемента (при F_к=1 включено, при F_к=0 выключено).

Известный способ управления обеспечивает минимальную длительность и апериодический характер переходного процесса. Однако, поскольку скорость изменения текущих значений энергетического баланса пропорциональна второй степени напряжения и тока выходного конденсатора, частота коммутации ключевого элемента в переходных режимах значительно увеличивается, что ухудшает электромагнитную совместимость аппаратуры и увеличивает потери на переключение.

Цель изобретения состоит в ограничении частоты коммутации ключевого элемента преобразователя в переходных режимах.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления преобразователем напряжения, заключающемся в переключение ключевого элемента по изменению знака энергетического баланса между текущим значением запасенной фильтром энергии и ее значением при заданном выходном напряжении, дополнительно вводят задержку переключения ключевого элемента, при этом коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии с законом управления вида.

где F_э - текущие значения энергетического баланса; U_н, U_oп - выходное и заданное напряжение; (I_L-I_н) - ток выходного конденсатора; I_L - ток дросселя; I_н - ток нагрузки; L - индуктивность дросселя; С - емкость выходного конденсатора; F_к - состояние ключевого элемента (при F_к=1 включено, при F_к=0 выключено); t_к1 - момент включения ключевого элемента; t_к0 - момент выключения ключевого элемента; t_зн1 - момент формирования положительного значения сигнала F_э; t_зн0 - момент формирования отрицательного значения сигнала F_э; t_δ - длительность задержки переключения.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно вводимая задержка переключения ключевого элемента приводит к увеличению гистерезиса с ростом скорости изменения текущего значения энергетического баланса, что значительно ограничивает частоту переключения ключевого элемента в переходных режимах.

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, состояния ключевого элемента F_к и энергетического баланса F_э при пуске преобразователя с нулевых начальных условий, и развернутые диаграммы начала участка скольжения (t=0.36-0.4 мс) и установившегося режима (t=1.9-1.94 мс).

Силовая часть преобразователя напряжения (фиг.1) состоит из ключевого элемента 1, дросселя фильтра 2, конденсатора фильтра 3, диода 4 и двух датчиков тока 5 и 6. Ключевой элемент 1, дроссель фильтра 2 и диод 4 соединены между собой в звезду, выводы выходного конденсатора 3 соединены с выходной шиной U_н и с общей шиной U₀, датчик тока 5 включен в цепь дросселя фильтра 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, второй вывод ключевого элемента 1 соединен с входной шиной питания U_п, второй вывод диода 4 - с общей шиной U₀, второй вывод дросселя фильтра 2 - выходной шиной U_н.

Устройство, реализующее предложенный способ управления (фиг.1), состоит из узла 7 вычисления F_э текущего значения энергетического баланса и узла 8 формирования с заданной задержкой сигнала F_к, переключающего ключевой элемент 1. Первые два входа узла 7 соединены с выходами I_L и I_н датчиков тока 5 и 6, третий вход узла 7 соединен с выходной шиной U_н преобразователя, четвертый вход узла 7 соединен с шиной задания напряжения U_оп, выход узла 7 соединен с входом узла 8, выход узла 8 соединен с шиной переключающего сигнала F_к.

Преобразователь напряжения с устройством, реализующим предложенный способ управления, работает следующим образом: на выходе узла 7 формируется сигнал F_э, пропорциональный текущим значениям энергетического баланса между энергией, запасенной в элементах фильтра, и энергией выходного конденсатора с заданным напряжением, определяемый выражением (4). По изменению знака сигнала F_э на выходе узла 8 формируется с задержкой сигнал F_к, управляющий состоянием ключевого элемента 1, в соответствии с законом управления (4).

На фиг.2-4 показана работа устройства управления и преобразователя напряжения с параметрами: напряжение питания U_п - 50 В, заданное напряжение U_оп - 27 В, сопротивление нагрузки R_H - 2,7 Ом, емкость конденсатора С 3 - 2000 мкФ, индуктивность дросселя - 0,2 мГн, длительность задержки переключения t_δ - 1,3 мкс.

При пуске преобразователя напряжения с нулевых начальных условий (фиг.2) на участке t от 0 до 366 мкс ток I_L дросселя 2 изменяется от 0 до 85 А, выходное напряжение U_н увеличивается от 0 до 6,3 В, ключевой элемент 1 включен (F_к=1), текущее значение энергетического баланса F_э изменяется от -1,5 до 0 В; на участке t от 0,366 до 1,17 мс ток I_L дросселя 2 изменяется от 85 до 10 А, выходное напряжение U_н увеличивается от 6,3 до 27 В, текущее значение энергетического баланса F_э поддерживается в окрестностях 0 В; на участке t от 1,17 до 2,0 мс ток I_L дросселя 2 поддерживается в окрестностях 10 А, выходное напряжение U_н - 27 В, текущее значение энергетического баланса F_э - 0 В.

В начале участка скольжения (см. фиг.2, t=360-400 мкс), отключение ключевого элемента 1 (F_к=0) происходит с задержкой, равной t_δ после начала формирования положительных значений сигнала F_э, за это время напряжение сигнала F_э успевает увеличиться на 10 мВ, после выключения ключевого элемента 1 ток I_L в дросселе 2 уменьшается, напряжение U_H увеличивается, а напряжение сигнала F_э уменьшается. Включение ключевого элемента 1 (F_к=1) происходит с задержкой, равной t_δ после начала формирования отрицательных значений сигнала F_э, за это время напряжение сигнала F_э успевает уменьшиться на 0,7 мВ, после включения ключевого элемента 1 ток I_L в дросселе 2, напряжение U_н и напряжение сигнала F_э увеличиваются.

В установившемся режиме работы (см. фиг.2 t=1.90-1.94 мс) отключение ключевого элемента 1 (F_к=0) происходит с задержкой, равной t_δ после начала формирования положительных значений сигнала F_э, за это время напряжение сигнала F_э успевает увеличиться на 65 мкВ, после выключения ключевого элемента 1 ток I_L в дросселе 2 уменьшается с 10,6 до 9,4 А, напряжение U_н пульсирует от 27 В при I_L, равном 10,6 и 9,4 А, до 27,0006 В при I_L, равном 10,0 А. Включение ключевого элемента 1 (F_к=1) происходит с задержкой, равной t_δ после начала формирования отрицательных значений сигнала F_э, за это время напряжение сигнала F_э успевает уменьшиться на 65 мкВ, после включения ключевого элемента 1 ток I_L в дросселе 2 увеличивается с 9,4 до 10,6 А, напряжение U_н пульсирует от 27 В при I_L равном 9,4 и 10,6 А, до 26,9992 В при I_L, равном 10,0 А.

Таким образом, введение задержки переключения ключевого элемента 1 аналогично введению гистерезиса, пропорционально зависящего от скорости изменения текущего значения энергетического баланса F_э и позволяет значительно снизить частоту коммутации в переходном режиме (в рассмотренном примере фиг.3 и фиг.4 введение задержки переключения аналогично увеличению гистерезиса в начале участка скольжения в 154 раза).

ЛИТЕРАТУРА

1. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение, 1971.

2. Казанцев Ю.М., Чернышев А.И., Лекарев А.Ф. Формирование квазискользящих процессов в импульсных преобразователях с ШИМ // Электричество. 1993. №12. С.45-49.

3. Казанцев Ю.М. Прямой синтез управления в преобразовательной технике. // Электротехника. 2000. №4. С.31-36.

4. Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования. - М.: Гл. Ред. Техн.-теор. лит., 1955.

Способ управления преобразователем напряжения, заключающийся в том, что переключения ключевого элемента осуществляют по изменению знака энергетического баланса между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении, отличающийся тем, что дополнительно вводят задержку на переключения ключевого элемента.