|
(21), (22) Заявка: 2008105864/09, 15.02.2008
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
15.02.2008
(46) Опубликовано: 10.10.2009
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
RU 2254606 C1, 20.06.2005. SU 1432482 A1, 23.10.1988. GB 1085417 A, 04.10.1967. US 2006170405 A1, 03.08.2006. FR 2730105 A1, 02.08.1996. DE 2817204 A1, 31.10.1979. JP 2008022597 A, 31.01.2008. EP 0118054 A1, 12.08.1984.
Адрес для переписки:
634050, г.Томск, пр. Кирова, 56в, ОАО “НПЦ “Полюс”
|
(72) Автор(ы):
Казанцев Юрий Михайлович (RU), Лекарев Анатолий Федорович (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Открытое акционерное общество “Научно-производственный центр “Полюс” (RU)
|
(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
(57) Реферат:
Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в импульсных преобразователях постоянного напряжения, широко применяемых для управления электроприводами и регуляторами систем электропитания. Техническим результатом является ограничение частоты коммутации ключевого элемента преобразователя в переходных режимах. В способе управления преобразователем напряжения переключение ключевого элемента по изменению знака энергетического баланса между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении осуществляют с задержкой, что аналогично введению гистерезиса, пропорционального скорости изменения текущего значения энергетического баланса. 2 ил.
Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для импульсных преобразователей постоянного напряжения, оно может найти широкое применение в управлении электроприводами и регуляторами систем электропитания.
Известен релейный способ управления, заключающийся в переключении ключевого элемента по изменению знака управляющего сигнала, определяемого как функция Гамильтона – полная энергия управляемой системы [1],

где pi(t) – элементы вектора количества движения системы; bik(t) – элементы вектора параметров системы.
Известный способ управления обеспечивает управление по минимуму времени, однако, требует определения текущих значений pi(t), которые нелегко найти аналитически. В практических реализациях известного способа управления для определения текущих значений pi(t) используется дополнительная модель сопряженной системы или алгоритмическая стратегия поиска параметров, обеспечивающих оптимальность процесса [1].
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления преобразователем напряжения, основанный на поддержании равенства между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значении при заданном напряжении [2, 3]

где Uoп – заданное напряжение; хк=Uн-Uоп – рассогласование между выходным и заданным напряжением; – постоянная времени фильтра; L – индуктивность дросселя; С – емкость выходного конденсатора;
yк – производная сигнала ошибки (yк=IC/C, IC=IL-Iн); IC – ток выходного конденсатора; IL – ток дросселя; Iн – ток нагрузки.
В известном способе управления переключение ключевого элемента преобразователя осуществляют по изменению знака текущих значений энергетического баланса, уравнение для расчета которых получено из формулы (2)

где Fэ – текущие значения энергетического баланса; SGN(IL-Iн) – знак тока выходного конденсатора (определяет знак пульсирующей составляющей энергии дросселя); – величина гистерезиса (вводится для ограничения частоты переключения [4]); Fк – состояние ключевого элемента (при Fк=1 включено, при Fк=0 выключено).
Известный способ управления обеспечивает минимальную длительность и апериодический характер переходного процесса. Однако, поскольку скорость изменения текущих значений энергетического баланса пропорциональна второй степени напряжения и тока выходного конденсатора, частота коммутации ключевого элемента в переходных режимах значительно увеличивается, что ухудшает электромагнитную совместимость аппаратуры и увеличивает потери на переключение.
Цель изобретения состоит в ограничении частоты коммутации ключевого элемента преобразователя в переходных режимах.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления преобразователем напряжения, заключающемся в переключение ключевого элемента по изменению знака энергетического баланса между текущим значением запасенной фильтром энергии и ее значением при заданном выходном напряжении, дополнительно вводят задержку переключения ключевого элемента, при этом коммутацию ключевого элемента осуществляют в соответствии с законом управления вида.

где Fэ – текущие значения энергетического баланса; Uн, Uoп – выходное и заданное напряжение; (IL-Iн) – ток выходного конденсатора; IL – ток дросселя; Iн – ток нагрузки; L – индуктивность дросселя; С – емкость выходного конденсатора; Fк – состояние ключевого элемента (при Fк=1 включено, при Fк=0 выключено); tк1 – момент включения ключевого элемента; tк0 – момент выключения ключевого элемента; tзн1 – момент формирования положительного значения сигнала Fэ; tзн0 – момент формирования отрицательного значения сигнала Fэ; t – длительность задержки переключения.
Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно вводимая задержка переключения ключевого элемента приводит к увеличению гистерезиса с ростом скорости изменения текущего значения энергетического баланса, что значительно ограничивает частоту переключения ключевого элемента в переходных режимах.
На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения с устройством, реализующим предлагаемый способ управления; на фиг.2 – временные диаграммы сигналов, пропорциональных текущим значениям выходного напряжения Uн, тока дросселя IL, состояния ключевого элемента Fк и энергетического баланса Fэ при пуске преобразователя с нулевых начальных условий, и развернутые диаграммы начала участка скольжения (t=0.36-0.4 мс) и установившегося режима (t=1.9-1.94 мс).
Силовая часть преобразователя напряжения (фиг.1) 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 выходного конденсатора 3 соединены с выходной шиной Uн и с общей шиной U0, датчик тока 5 включен в цепь дросселя фильтра 2, датчик тока 6 – в выходную цепь преобразователя, управляющий вход ключевого элемента 1 соединен с шиной переключающего сигнала Fк, выходом датчика тока 5 является вывод IL, выходом датчика тока 6 – вывод Iн, второй вывод ключевого элемента 1 соединен с входной шиной питания Uп, второй вывод диода 4 – с общей шиной U0, второй вывод дросселя фильтра 2 – выходной шиной Uн.
Устройство, реализующее предложенный способ управления (фиг.1), состоит из узла 7 вычисления Fэ текущего значения энергетического баланса и узла 8 формирования с заданной задержкой сигнала Fк, переключающего ключевой элемент 1. Первые два входа узла 7 соединены с выходами IL и Iн датчиков тока 5 и 6, третий вход узла 7 соединен с выходной шиной Uн преобразователя, четвертый вход узла 7 соединен с шиной задания напряжения Uоп, выход узла 7 соединен с входом узла 8, выход узла 8 соединен с шиной переключающего сигнала Fк.
Преобразователь напряжения с устройством, реализующим предложенный способ управления, работает следующим образом: на выходе узла 7 формируется сигнал Fэ, пропорциональный текущим значениям энергетического баланса между энергией, запасенной в элементах фильтра, и энергией выходного конденсатора с заданным напряжением, определяемый выражением (4). По изменению знака сигнала Fэ на выходе узла 8 формируется с задержкой сигнал Fк, управляющий состоянием ключевого элемента 1, в соответствии с законом управления (4).
На фиг.2-4 показана работа устройства управления и преобразователя напряжения с параметрами: напряжение питания Uп – 50 В, заданное напряжение Uоп – 27 В, сопротивление нагрузки RH – 2,7 Ом, емкость конденсатора С 3 – 2000 мкФ, индуктивность дросселя – 0,2 мГн, длительность задержки переключения t – 1,3 мкс.
При пуске преобразователя напряжения с нулевых начальных условий (фиг.2) на участке t от 0 до 366 мкс ток IL дросселя 2 изменяется от 0 до 85 А, выходное напряжение Uн увеличивается от 0 до 6,3 В, ключевой элемент 1 включен (Fк=1), текущее значение энергетического баланса Fэ изменяется от -1,5 до 0 В; на участке t от 0,366 до 1,17 мс ток IL дросселя 2 изменяется от 85 до 10 А, выходное напряжение Uн увеличивается от 6,3 до 27 В, текущее значение энергетического баланса Fэ поддерживается в окрестностях 0 В; на участке t от 1,17 до 2,0 мс ток IL дросселя 2 поддерживается в окрестностях 10 А, выходное напряжение Uн – 27 В, текущее значение энергетического баланса Fэ – 0 В.
В начале участка скольжения (см. фиг.2, t=360-400 мкс), отключение ключевого элемента 1 (Fк=0) происходит с задержкой, равной t после начала формирования положительных значений сигнала Fэ, за это время напряжение сигнала Fэ успевает увеличиться на 10 мВ, после выключения ключевого элемента 1 ток IL в дросселе 2 уменьшается, напряжение UH увеличивается, а напряжение сигнала Fэ уменьшается. Включение ключевого элемента 1 (Fк=1) происходит с задержкой, равной t после начала формирования отрицательных значений сигнала Fэ, за это время напряжение сигнала Fэ успевает уменьшиться на 0,7 мВ, после включения ключевого элемента 1 ток IL в дросселе 2, напряжение Uн и напряжение сигнала Fэ увеличиваются.
В установившемся режиме работы (см. фиг.2 t=1.90-1.94 мс) отключение ключевого элемента 1 (Fк=0) происходит с задержкой, равной t после начала формирования положительных значений сигнала Fэ, за это время напряжение сигнала Fэ успевает увеличиться на 65 мкВ, после выключения ключевого элемента 1 ток IL в дросселе 2 уменьшается с 10,6 до 9,4 А, напряжение Uн пульсирует от 27 В при IL, равном 10,6 и 9,4 А, до 27,0006 В при IL, равном 10,0 А. Включение ключевого элемента 1 (Fк=1) происходит с задержкой, равной t после начала формирования отрицательных значений сигнала Fэ, за это время напряжение сигнала Fэ успевает уменьшиться на 65 мкВ, после включения ключевого элемента 1 ток IL в дросселе 2 увеличивается с 9,4 до 10,6 А, напряжение Uн пульсирует от 27 В при IL равном 9,4 и 10,6 А, до 26,9992 В при IL, равном 10,0 А.
Таким образом, введение задержки переключения ключевого элемента 1 аналогично введению гистерезиса, пропорционально зависящего от скорости изменения текущего значения энергетического баланса Fэ и позволяет значительно снизить частоту коммутации в переходном режиме (в рассмотренном примере фиг.3 и фиг.4 введение задержки переключения аналогично увеличению гистерезиса в начале участка скольжения в 154 раза).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение, 1971.
12. С.45-49.
4. С.31-36.
4. Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования. – М.: Гл. Ред. Техн.-теор. лит., 1955.
Формула изобретения
Способ управления преобразователем напряжения, заключающийся в том, что переключения ключевого элемента осуществляют по изменению знака энергетического баланса между текущим значением энергии, запасенной фильтром, и ее значением при заданном выходном напряжении, отличающийся тем, что дополнительно вводят задержку на переключения ключевого элемента.
РИСУНКИ
|
|