СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ С ДВУХЗВЕННЫМ ФИЛЬТРОМ
METHOD OF CONTROLLING VOLTAGE CONVERTER WITH TWO-SECTION FILTER

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для систем с широтно-импульсным регулированием, оно может найти применение в управляемых источниках вторичного питания.
Известен способ управления преобразователем постоянного напряжения с двухзвенным фильтром, заключающийся в релейном управлении на основе скользящих режимов [1].
Недостаток известного способа заключается в том, что устойчивая работа преобразователя возможна в ограниченном диапазоне изменения параметров источника питания и нагрузки, сложности его реализации, так как требуется измерение большого количества координат системы и определение производной тока нагрузки, кроме того, при релейном способе управления частота коммутации ключевых элементов преобразователя меняется в широком диапазоне, что ухудшает электромагнитную совместимость аппаратуры.
Наиболее близким техническим решением является способ управления преобразователями напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции напряжения питания и заключающийся в том, что переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей входного тока фильтра и сигнала развертки, сигнал ошибки вычисляют как разность выходного сигнала и сигнала задания, а сигнал развертки формируют из прогнозируемых на текущий момент коммутации значений пульсирующей составляющей входного тока фильтра с противоположным знаком [2].
Известный способ управления основан на прогнозируемости приращения тока дросселя фильтра, поскольку
C
где i - ток конденсатора фильтра, то при подчиненном регулировании тока  по уравнению  обеспечивается апериодический характер переходного процесса по выходу х, так как вследствие отрицательной знакоопределенности отношения
д
m
к
где Т=k/k, ошибка x в переходном процессе только уменьшается, и во всем диапазоне регулирования в установившихся режимах в момент коммутации выполняется условие x(t)=0 за счет того, что сигнал развертки к моменту коммутации равен прогнозируемому значению пульсирующей составляющей тока дросселя фильтра с противоположным знаком .
Недостатком известного способа является то, что он не предназначен для управления преобразователями напряжения с двухзвенным фильтром.
Цель технического решения - расширение функциональных возможностей способа для управления преобразователями напряжения с двухзвенным фильтром.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления преобразователями постоянного напряжения, основанном на широтно-импульсной модуляции напряжения питания и заключающемся в том, что измеряют пульсирующую составляющую входного тока фильтра как разность входного тока фильтра и тока нагрузки, формируют сигнал развертки из прогнозируемых на текущий момент коммутации значений пульсирующей составляющей входного тока фильтра с противоположным знаком, формируют управляющий сигнал из суммы сигнала ошибки, сигнала пульсирующей составляющей входного тока фильтра и сигнала развертки, переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, дополнительно определяют сигнал рассогласования пропорциональный переменной составляющей напряжения между выходом первого звена фильтра и выходом преобразователя, а сигнал ошибки вычисляют как разность между выходным напряжением преобразователя и напряжением задания с суммированием сигнала рассогласования.
Сущность изобретения заключается в том, что формирование сигнала ошибки с учетом переменной составляющей напряжения между выходом первого звена фильтра и выходом преобразователя позволяет эффективно демпфировать колебания как между звеньями фильтра, так и колебания выходного напряжения преобразователя. При этом в установившемся режиме, при отсутствии колебаний сигнал ошибки определяется разностью выходного напряжения преобразователя и напряжением задания.
Предлагаемый способ реализует закон управления вида
1
2
оп
m
p
p
к
где u - выходное напряжение первого звена фильтра; u - выходное напряжение второго звена фильтра, являющееся выходным напряжением преобразователя; u - напряжение задания;  - пульсирующая составляющая входного тока фильтра; k - коэффициент связи; Y - сигнал развертки; t=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({α} - дробная часть числа α); Т - длительность периода коммутации; VT - состояние ключевого элемента (при модуляции заднего фронта θ=1, при модуляции переднего фронта θ=0); t - момент коммутации, определяется при модуляции заднего фронта корнем уравнения F=0 при , а при модуляции переднего фронта - корнем уравнения F=0 при .
На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения с двухзвенным фильтром и регулятором, реализующим предлагаемый способ управления, на фиг.2 - диаграммы выходного напряжения первого и второго звена фильтра при включении с нулевых начальных условий на сопротивление нагрузки 2,7 Ом с последующей коммутацией нагрузки в 5 ампер.
п
1
2
оп
2
1
1
п
p
Преобразователь напряжения с двухзвенным фильтром и регулятором, реализующим предлагаемый способ управления (фиг.1), состоит из двух однозвенных LC-фильтров 1 и 2, ключевого элемента 3, нагрузки 4, двух датчиков тока 5 и 6, узла вычитания 7, блока вычисления сигнала ошибки 8, генератора пилообразного напряжения 9, узла формирования управляющего сигнала 10 и RS-триггера 11. Вход ключевого элемента 3 соединен с шиной напряжения питания U, выход ключевого элемента 3 соединена с входом LC-фильтра 1, выход LC-фильтра 1 соединен с шиной U и входном LC-фильтра 2, выход LC-фильтра 2 соединен с шиной U и с нагрузкой 4, датчик тока 5 включен во входную цепь LC-фильтра 1, датчик тока 6 включен в цепь нагрузки 4, входы узла вычитания 7 соединены с выходами датчиков тока 5 и 6, первый вход блока вычисления сигнала ошибки 8 соединен с шиной задания напряжения U, второй вход блока вычисления сигнала ошибки 8 соединен шиной U, третий вход блока вычисления сигнала ошибки 8 соединен с шиной U, первый вход генератора пилообразных напряжений 9 соединен с шиной U, второй вход генератора пилообразных напряжений 9 соединен с шиной U, третий вход генератора пилообразных напряжений 9 соединен с шиной временной координаты t, генератор пилообразных напряжений 9 имеет два выхода, первый вход узла формирования управляющего сигнала 10 соединен с выходом узла вычитания 7, второй вход узла формирования управляющего сигнала 10 соединен с выходом блока вычисления сигнала ошибки 8, третий вход узла формирования управляющего сигнала 10 соединен с первым выходом генератора пилообразных напряжений 9, входы RS-триггера 11 соединены с выходом узла формирования управляющего сигнала 10 и со вторым выходом генератора пилообразных напряжений 9, выход RS-триггера 11 соединен с управляющим входом ключевого элемента 3.
н
н
1
1
2
оп
p
0
На выходе датчика тока 5 формируется сигнал i, равный входному току LC-фильтра 1, на выходе датчика тока 6 формируется сигнал i, равный току нагрузки 4, на выходе узла вычитания 7 в соответствии с выражением i-i формируется сигнал , равный пульсирующей составляющей тока дросселя LC-фильтра 1, на выходе блока вычисления сигнала ошибки 8 формируется сигнал ошибки x в соответствии с выражением u+α(u-u)-u, на первом выходе генератора пилообразного напряжения 9 формируется сигнал пилообразного напряжения Y, который к моменту коммутации ключевого элемента 3 равен пульсирующей составляющей тока дросселя LC-фильтра 1 [2], на втором выходе генератора пилообразного напряжения 9 формируется сигнал t синхронизации, на выходе узла формирования управляющего сигнала 10 формируется сигнал F в соответствии с выражением , на выходе RS-триггера 11 формируется сигнал VT, который управляет переключением ключевого элемента 3 в соответствии с законом управления (1).
п
оп
1
1
1
1
m
Диаграммы выходных напряжений первого и второго звена фильтра при включении с нулевых начальных условий на сопротивление нагрузки 2,7 Ом с последующей коммутацией нагрузки в 5 А (фиг.2) преобразователя с двухзвенным фильтром и параметрами: напряжение питания U=50 В; заданное выходное напряжение U=27 В; частоте коммутации ключевого элемента f=50 кГц; индуктивности и емкости первого звена фильтра L=100 мкГ, C=20 мкФ; индуктивности и емкости второго звена фильтра L=100 мкГ, С=20 мкФ; коэффициентах k=1,3 и α=1,14 показывают, что предложенный способ управления эффективно демпфирует колебания между звеньями фильтра, а также колебания выходного напряжения при высоком быстродействии (длительность переходного процесса не превышает 0,3 мс).
ЛИТЕРАТУРА
1. Озеров Л.А., Разнополов О.А., Штепсель Ю.Б. Синтез управления импульсным стабилизатором с двухзвенным фильтром на основе скользящих режимов // Электричество. 1990. №7. С.77-79.
2. 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.