СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
CONTROL METHOD FOR VOLTAGE CONVERTER

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),
i
ik
где p(t) - элементы вектора количества движения системы; b(t) - элементы вектора параметров системы.
i
i
Известный способ управления обеспечивает управление по минимуму времени, однако требует определения текущих значений p(t), которые нелегко найти аналитически. В практических реализациях известного способа управления для определения текущих значений p(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
L
н
где i - ток дросселя; i - ток нагрузки; L - индуктивность дросселя фильтра, sign - функция знака, определяемая как
Текущее значение энергии, необходимой конденсатору фильтра для достижения заданного выходного напряжения, определяют выражением
н
oп
где U - выходное напряжение; U - 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
1
2
L1
L2
L
где t, t - начальное и конечное время измерений соответственно; i, i - начальное и конечное значения токов дросселя; U - напряжение на дросселе.
к
к
При единичном значении сигнала F ключевой элемент включен и происходит накопление энергии в реактивных элементах преобразователя, при нулевом значении сигнала F 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.
н
к
L
н
п
н
н
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 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, выходом датчика тока 5 является вывод i, выходом датчика тока 6 - вывод i, второй вывод ключевого элемента 1 соединен с входной шиной питания U, второй вывод диода 4 - с общей шиной GND, второй вывод дросселя фильтра 2 - с выходной шиной U и нагрузкой R.
к
L
н
н
oп
c
y
L
н
c
Устройство, реализующее предложенный способ управления, состоит из блока расчета энергетического баланса 7, блока 8 формирователя управляющего сигнала F 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 и iсоединены с выходами датчиков тока 5 и 6, вход u с выходной шиной преобразователя, на вход U подается опорное напряжение, вход Lсоединен с одноименным выходом блока 10. Вход F блока 8 соединен с выходом блока 7, а выход соединен с управляющим электродом ключевого элемента 1. Блок 9 имеет два входа i и и, соединенные с одноименными входами блока 7. Вход L блока 10 соединен с выходом блока 9, а выход соединен со входом L блока 7.
L
н
н
oп
c
y
к
к
Преобразователь напряжения с устройством, реализующим предложенный способ управления, работает следующим образом: на входы i, i, u и U узла 7 поступают измеренные значения тока дросселя фильтра 2, выходного тока преобразователя, напряжения нагрузки и сигнал L с выхода блока 10 с установленным начальным значением индуктивности дросселя фильтра 2, а также опорное напряжение, на выходе F 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 согласно (2), отвечающий за переключение ключевого элемента 1, при нулевом значении сигнала F ключевой элемент 1 выключен, а при единичном - включен.
L
н
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 и u, 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.