ВЫСОКОТОЧНЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ СТАБИЛИЗАТОРОМ ТОКА
HIGH-PRECISION METHOD TO CONTROL PULSE CURRENT STABILISER

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-ε,
n
где q - оцениваемая точность стабилизации, ε=1/2 - 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.