Способ управления преобразователем напряжения

Способ управления преобразователем напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для импульсных преобразователей напряжения, может найти широкое применение в управлении электроприводами и регулируемыми вторичными источниками питания.

Известен релейный способ управления, заключающийся в переключении ключевого элемента по знаку управляющего сигнала, который формируют в соответствии с функцией переключения, обеспечивающей минимальное (или максимальное) значение функции Гамильтона - полной энергии управляемой системы (Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования. - М., Гл. ред. техн.-теор. лит., 1955),

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.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является релейный способ управления (Патент РФ №2369895, МПК G05 F 1/56, Н02М 3/335, Бюл. №28, опубл. 10.10.2009), заключающийся в переключении ключевого элемента по знаку управляющего сигнала, который, для достижения заданного выходного напряжения, формируют как сумму значений пульсирующей составляющей энергии дросселя фильтра и энергии, необходимой конденсатору фильтра. Недостатком этого решения является зависимость точности управления от значения параметров LC-фильтра, которые могут изменяться от времени, внешних условий, величины рабочего тока и др.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование управляющего сигнала переключения с вычислением текущего значения индуктивности LC-фильтра.

Поставленный технический результат достигается путем введения в устройство, реализующее предложенный способ управления, блока вычислителя текущего значения индуктивности дросселя фильтра, один вход которого соединен с выходом первого датчика тока, второй вход - с выходной шиной преобразователя, выход соединен со входом введенного блока цифрового фильтра-усреднителя, выход которого соединен с пятым входом блока расчета.

Сущность изобретения заключается в том, что для достижения заданного выходного напряжения управление преобразователем напряжения осуществляют переключением ключевого элемента по знаку суммы текущих значений пульсирующей составляющей энергии дросселя фильтра и энергии, необходимой конденсатору фильтра, с вычислением текущего значения индуктивности LC-фильтра.

Как и в прототипе, текущее значение пульсирующей составляющей энергии дросселя определяют выражением

где i_L - ток дросселя; i_н - ток нагрузки; L - индуктивность дросселя фильтра, sign - функция знака, определяемая как

Текущее значение энергии, необходимой конденсатору фильтра для достижения заданного выходного напряжения, определяют выражением

где U_н - выходное напряжение; U_oп - заданное напряжение; С - емкость конденсатора фильтра.

Значение энергетического баланса определяется как

Сигнал, переключающий ключевой элемент, формируют при помощи выражения

а текущее значение индуктивности определяется как

где t₁, t₂ - начальное и конечное время измерений соответственно; i_L1, i_L2 - начальное и конечное значения токов дросселя; U_L - напряжение на дросселе.

При единичном значении сигнала F_к ключевой элемент включен и происходит накопление энергии в реактивных элементах преобразователя, при нулевом значении сигнала F_к ключевой элемент выключен и происходит расход энергии реактивных элементов преобразователя на нагрузку.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя напряжения с устройством, реализующим предлагаемый способ управления.

Силовая часть преобразователя напряжения 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 конденсатора фильтра 3 соединены с выходной шиной U_н и с общей шиной GND, датчик тока 5 включен в цепь дросселя фильтра 2, датчик тока 6 - в выходную цепь преобразователя, управляющий вход ключевого элемента 1 соединен с управляющей шиной 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 GND, второй вывод дросселя фильтра 2 - с выходной шиной U_н и нагрузкой R_н.

Устройство, реализующее предложенный способ управления, состоит из блока расчета энергетического баланса 7, блока 8 формирователя управляющего сигнала F_к ключевого элемента 1, а также вновь введенных блока 9 вычислителя текущего значения индуктивности дросселя фильтра 2 и блока 10 - цифрового фильтра-усреднителя. Блок 7 имеет пять входов, входы i_L и i_н соединены с выходами датчиков тока 5 и 6, вход u_н с выходной шиной преобразователя, на вход U_oп подается опорное напряжение, вход L_c соединен с одноименным выходом блока 10. Вход F_y блока 8 соединен с выходом блока 7, а выход соединен с управляющим электродом ключевого элемента 1. Блок 9 имеет два входа i_L и и_н, соединенные с одноименными входами блока 7. Вход L блока 10 соединен с выходом блока 9, а выход соединен со входом L_c блока 7.

Преобразователь напряжения с устройством, реализующим предложенный способ управления, работает следующим образом: на входы i_L, i_н, u_н и U_oп узла 7 поступают измеренные значения тока дросселя фильтра 2, выходного тока преобразователя, напряжения нагрузки и сигнал L_c с выхода блока 10 с установленным начальным значением индуктивности дросселя фильтра 2, а также опорное напряжение, на выходе F_y в соответствии с выражением (1) формируется управляющий сигнал, пропорциональный текущему значению энергетического баланса, и поступает на вход блока 8, который формирует управляющий сигнал ключевого элемента F_к согласно (2), отвечающий за переключение ключевого элемента 1, при нулевом значении сигнала F_к ключевой элемент 1 выключен, а при единичном - включен.

Таким образом, если сумма значений пульсирующей составляющей энергии дросселя фильтра 2 и энергии, необходимой конденсатору фильтра 3 для достижения установившегося режима, отрицательна, то ключевой элемент 1 включен и происходит накопление энергии в реактивных элементах преобразователя, если положительна, то ключевой элемент 1 выключен. Для уточнения текущего значения индуктивности дросселя фильтра блоком 9 по сигналам i_L и u_н, вычисляется текущее значение индуктивности L дросселя фильтра 2 согласно с выражением (3), а блок 10 усредняет вычисленные значения для того, чтобы уменьшить влияние погрешностей измерения. Переходный процесс при соответствии расчетного значения реальной индуктивности дросселя 2 фильтра показан на фиг. 2. Несоответствие расчетного значения реальной индуктивности дросселя фильтра (фиг. 3) приводит к увеличению длительности переходного процесса (Aristov A.V., Nagorniy V.O., Gavrilov A.M. Voltage converter with the controlled energy balance for the electric drive with the pulsation motion mode // Control and Communications (SIBCON), 2015 International Siberian Conference on). Введение коррекции расчетного значения индуктивности позволяет получить минимально возможное время переходного процесса при реальном значении индуктивности фильтра.

Способ управления преобразователем напряжения, заключающийся в переключении ключевого элемента по изменению знака энергетического баланса между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении, отличающийся тем, что введен блок вычислителя текущего значения индуктивности дросселя фильтра, один вход которого соединен с выходом первого датчика тока, второй вход - с выходной шиной преобразователя, выход соединен со входом введенного блока цифрового фильтра-усреднителя, выход которого соединен с пятым входом блока расчета.