СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF PULSE VOLTAGE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.
Известен способ управления импульсным преобразователем напряжения, заключающийся в том, что управляющий сигнал формируют как сумму сигнала рассогласования, сигнала тока дросселя и сигнала пилообразной развертки с постоянной амплитудой (Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению, Г.А. Белов, С.А. Кузьмин. - ЭТВА, вып. 15. С. 48-58.: Радио и связь, 1984).
Недостатком известного способа управления является то, что устойчивая работа преобразователя возможна только в узком диапазоне изменения напряжения питания и тока нагрузки, кроме того, сигнал развертки не определяет состояния системы, поэтому изменение напряжения питания или тока нагрузки приводит к появлению статической ошибки.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ управления импульсным преобразователем напряжения, заключающийся в том, что вычисляют сигнал ошибки между выходным и заданным напряжением, вычисляют сигнал рассогласования между током дросселя и током нагрузки, определяют сигнал развертки как прогнозируемое к моменту коммутации ключевого элемента значение сигнала рассогласования с противоположным знаком, управляющий сигнал формируют как сумму сигнала ошибки, сигнала рассогласования, и сигнала развертки (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).
Известный способ реализует закон управления вида
н
oп
н
оп
L
н
m
р
L
L
L
п
н
L
н
L
н
L
п
н
p
к
где F - управляющий сигнал; x=(U-U) - сигнал ошибки; U - выходное напряжение; U - напряжение задания;  - сигнал рассогласования; i - ток дросселя; i - ток нагрузки; k - коэффициент пропорциональности, определяющий динамические характеристики преобразователя (Казанцев Ю.М., Чернышев А.И., Лекарев А.Ф. Формирование квазискользящих процессов в импульсных преобразователях с ШИМ // Электричество. 1993. №12. С. 45-49); Y - сигнал развертки; L - индуктивность дросселя; U1 - напряжение на дросселе в начале периода модуляции; U2 - напряжение на дросселе в конце периода модуляции; при модуляции заднего фронта U1=U-U, U2=-U; при модуляции переднего фронта U1=-U, U2=U-U; Т - длительность периода модуляции. t=T{t/T] - временная координата для формирования сигнала развертки ({t/T} - дробная часть выражения t/T); t - момент коммутации ключевого элемента, определяемый корнями уравнения F=0 при F'>0 для модуляции заднего фронта импульса и при F'<0 для модуляции переднего фронта импульса; F' - производная управляющего сигнала; VT - состояние ключевого элемента (VT=1 - включен, VT=0 - выключен).
Известный способ управления обеспечивает устойчивую работу преобразователя в широком диапазоне изменения напряжения питания и нагрузки.
Недостатком известного способа управления является появление статической ошибки при изменении тока нагрузки обусловленное возникающим несоответствием между принятым и текущим значением индуктивности дросселя (текущее значение может изменяться от времени, внешних условий, зависит от тока дросселя).
н
оп
L
н
н
п
оп
Для подтверждения сказанного проведено моделирование преобразователя. На фиг. 1 представлены временные диаграммы сигнала ошибки х=U-U, тока дросселя i, тока нагрузки i и текущие значения индуктивности дросселя при скачкообразном изменении тока нагрузки i от 15 до 5 А и обратно в преобразователе напряжения с задним фронтом широтно-импульсной модуляции и параметрах U=50 В, U=27 В, частота модуляции - 50 кГц, емкость выходного конденсатора С=750 мкФ, дроссель имеет 70 витков на магнитопроводе МП140-1, К 44,0*28,0*10,3 индуктивность дросселя, принятая для формирования сигнала развертки, L=63 мкГн.
Видно, что изменение выходного тока преобразователя приводит к изменению текущего значения индуктивности дросселя и как следствие к смещению сигнала ошибки (смещение пропорционально разнице значений текущей и расчетной индуктивности дросселя).
Технический результат предполагаемого изобретения состоит в устранении статической ошибки выходного напряжения импульсного преобразователя напряжения при изменении тока нагрузки.
Технический результат достигается тем, что в способе управления импульсным преобразователем напряжения, заключающемся в вычислении сигнала ошибки между выходным и заданным напряжением, вычислении сигнала рассогласования между током дросселя и нагрузки, определении сигнала развертки как прогнозируемого к моменту коммутации ключевого элемента значения сигнала рассогласования с противоположным знаком, формировании управляющего сигнала как суммы сигналов ошибки, рассогласования и развертки, дополнительно вычисляют текущее значение индуктивности дросселя, а сигнал развертки определяют с использованием вычисленного текущего значения индуктивности дросселя.
Для вычисления текущего значения индуктивности дросселя определяют отношение текущего значения напряжения дросселя к сигналу пропорциональному производной по времени от сигнала тока дросселя.
Сущность изобретения заключается в том, что управление преобразователем осуществляют с использованием вычисленного текущего значения индуктивности дросселя.
Уравнение индуктивности дросселя имеет следующий вид:
L
где U - текущее значение напряжения дросселя;  - сигнал пропорциональный производной по времени от сигнала тока дросселя.
Работу преобразователя осуществляют в соответствии с законом управления
При модуляции заднего фронта
при модуляции переднего фронта
н
оп
оп
L
н
m
Р
тек
p
к
где F - управляющий сигнал; х=(U-U) - сигнал ошибки; U - сигнал задания;  - сигнал рассогласования; i - ток дросселя; i - ток нагрузки; k - коэффициент пропорциональности, определяющий динамические характеристики преобразователя; Y - сигнал развертки без учета индуктивности дросселя; Y - сигнал развертки; L - текущее значение индуктивности дросселя; t=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки {{t/T} - дробная часть выражения t/T); t - момент коммутации ключевого элемента, определяемый корнями уравнения F=0 при F'>0 для модуляции заднего фронта импульса и при F'<0 для модуляции переднего фронта импульса; VT - состояние ключевого элемента (VT=1 - включен, VT=0 - выключен).
L
н
н
оп
н
На фиг. 2 представлена схема импульсного преобразователя постоянного напряжения, реализующая предлагаемый способ управления; на фиг. 3 приведены временные диаграммы сигнала тока дросселя 3 i, тока нагрузки I, сигнала ошибки х=U-U и текущие значения индуктивности дросселя при скачкообразном изменении тока нагрузки I от 15 до 5 А и обратно в понижающем преобразователе напряжения с законом управления (3).
p
тек
Импульсный преобразователь напряжения (фиг. 2) состоит из: ключевого элемента 1, диода 2, дросселя 3, выходного конденсатора 4, нагрузки 5, блока 6 формирования VT - переключающего сигнала, узла 7 формирования F - управляющего сигнала, узла 8 вычисления  - сигнала рассогласования, узла 9 вычисления х - сигнала ошибки, узла 10 формирования Y - сигнала развертки, блока 11 формирования сигнала пропорционального производной по времени от сигнала тока дросселя 3, блока 12 вычисления L - текущего значения индуктивности дросселя 3, блока 13 вычисления Y - сигнала развертки без учета индуктивности дросселя 3, датчика 14 тока дросселя 3, датчика 15 тока нагрузки 5, датчика 16 напряжения дросселя 3.
п
н
н
0
p
тек
L
н
н
оп
L
п
0
Первый вывод ключевого элемента 1 соединен с шиной питания U, второй вывод ключевого элемента 1, первый вывод диода 2 и первый вывод дросселя 3 соединены между собой, второй вывод дросселя 3 соединен с первым выводом конденсатора 4 через датчик 14, первый вывод конденсатора 4 соединен с выходной шиной U через датчик 15, первый вывод нагрузки 5 соединен с выходной шиной U, вторые выводы диода 2, выходного конденсатора 4 и нагрузки 5 соединены с общей шиной U, управляющий вход ключевого элемента 1 соединен с выходом VT блока 6, первый вход блока 6 соединен с выходом F узла 7, первый вход узла 7 соединен с выходом  узла 8, второй вход узла 7 соединен с выходом х узла 9, третий вход узла 7 соединен с выходом Y узла 10, первый вход узла 10 соединен с выходом L блока 12, первый вход блока 12 соединен с выходом  блока 11, второй вход узла 8 и вход узла 11 соединены с выходом I датчика 14, первый вход узла 8 соединен с выходом I датчика 15, первый вход узла 9 и первый вход блока 13 соединены с выходной шиной U, второй вход узла 9 соединен с шиной задания U, второй вход узла 10 соединен с выходом Y блока 13, второй вход блока 12 соединен с выходом U датчика 16, второй вход блока 13 соединен с шиной питания U, второй вход блока 6 и третий вход блока 13 соединены с шиной синхронизации t.
Импульсный преобразователь напряжения (фиг. 2), реализующий закон управления (3) работает следующим образом:
Блок 11 формирует сигнал  пропорциональный производной по времени от сигнала тока дросселя 3.
Блок 12 вычисляет текущее значение индуктивности дросселя 3 по формуле (2)
L
где U - текущее значение напряжения дросселя 3, поступает с датчика 16;
- сигнал пропорциональный производной по времени от сигнала тока дросселя 3, поступает с выхода узла 11.
В блоке 13 формируют сигнал развертки Y (без учета индуктивности дросселя) для преобразователей напряжения с модуляцией заднего фронта - выражением
а для преобразователей напряжения с модуляцией переднего фронта - выражением
p
p
0
0
где t=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки {{t/T} - дробная часть выражения t/T); t=0 при поступлении сигнала t с шины синхронизации t.
p
В узле 10 формируют сигнал развертки Y выражением
тек
где L - текущее значение индуктивности дросселя 3, поступает с выхода блока 12; Y - сигнал развертки Y (без учета индуктивности дросселя), поступает с выхода блока 13.
В узле 8 вычисляют сигнал рассогласования  выражением
L
н
где i - сигнал тока дросселя 3, поступает с выхода датчика 14; i - сигнал тока нагрузки, поступает с выхода датчика 15.
В узле 9 формируют сигнал ошибки - выражением
н
н
оп
оп
где U - поступает с выходной шины U; U - поступает с шины задания U.
В узле 7 формируют управляющий сигнал F выражением
р
где х - сигнал рассогласования, поступает с выхода узла 9;  - сигнал рассогласования, поступает с выхода узла 8; Y - сигнал развертки, поступает с выхода узла 10.
В узле 6 в соответствии с законом управления (3) формируют переключающий сигнал VT, управляющий состоянием ключевого элемента 1.
н
оп
L
н
н
п
оп
Иллюстрация эффекта от реализации предложенного способа управления приведена на фиг. 3 временными диаграммами сигнала рассогласования х=U-U, тока дросселя i, тока нагрузки i и текущие значения индуктивности дросселя при скачкообразном изменении тока нагрузки i от 15 до 5 А и обратно в преобразователе напряжения с задним фронтом широтно-импульсной модуляции и параметрах U=50 В, U=27 В, частота модуляции - 50 кГц, емкость выходного конденсатора С=750 мкФ, дроссель имеет 70 витков на магнитопроводе МП140-1, К 44,0*28,0*10,3
Видно, что при изменении тока нагрузки статическое значение сигнала рассогласования между выходным и заданным сигналами не меняется.
Таким образом, формирование сигнала развертки с использованием текущих значений индуктивности дросселя 3 устраняет статическую ошибку выходного напряжения импульсного преобразователя напряжения при изменении тока нагрузки.