Способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления импульсными преобразователями постоянного напряжения и тока, которые широко применяются для питания различных устройств во многих областях техники.

Известен способ стабилизации предельного тока в преобразователе постоянного напряжения с ШИМ, когда полученный сигнал рассогласования текущего значения тока преобразователя и опорного значения тока, задающего его граничное значение, суммируется с сигналом рассогласования по напряжению. При этом с помощью нелинейного элемента с односторонней проводимостью исключается влияние токовой обратной связи на работу преобразователя до тех пор, пока его рабочий ток не превысит граничное значение. В режиме стабилизации предельного тока на выходе усилителя сигнала ошибки формируется результирующий сигнал рассогласования по току и напряжению, который с помощью синхронизирующего напряжения пилообразной формы преобразуется в выходной сигнал ШИМ [1, с.92-96].

Функциональная схема широтно-импульсного модулятора, реализующего известный способ стабилизации предельного тока, показана на фигуре 1, где 1 - первый сумматор; 2 - усилитель сигнала ошибки; 3 - компаратор; 4 - второй сумматор; 5 - нелинейный элемент; 6 - генератор пилообразного напряжения.

Для коэффициента заполнения ШИМ в режиме стабилизации предельного тока при этом способе управления справедливо выражение

где К_з - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульсов на выходе ШИМ;

U_U - текущее значение выходного напряжения;

U_о.U - опорное значение сигнала обратной связи по напряжению;

U_I - напряжение, пропорциональное текущему значению выходного тока;

U_о.I - опорное значение сигнала обратной связи по току;

U_пил - амплитуда пилообразного напряжения;

К_U - коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки;

ΔU_cm=U_U-U_о.U - статическая ошибка регулирования выходного напряжения преобразователя.

Из (1) можно получить формулу для оценки точности стабилизации предельного тока при рассмотренном варианте построения ШИМ

Модификацией известного способа стабилизации предельного тока преобразователя является случай, когда сигнал рассогласования по току через отдельный усилитель сигнала ошибки и нелинейный элемент суммируется с усиленным сигналом рассогласования по напряжению [2, с.294-296].

Пример реализации такого способа управления приведен на фигуре 2, где: 1, 3...6 - то же, что и на фигуре 1; 7 - усилитель сигнала ошибки регулирования напряжения; 8 - усилитель сигнала ошибки регулирования тока; 9 - сумматор.

Точность стабилизации в этом случае можно определить из выражения

где K_I - коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки регулирования тока;

К_U - коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки регулирования напряжения.

Очевидно, что при К_U=К_I выражения (2) и (3) равнозначны. В то же время второй способ более универсален, поскольку позволяет проводить раздельную настройку контуров регулирования напряжения и тока.

Анализ выражений (2) и (3) показывает, что обоим рассмотренным способам управления присущ недостаток - погрешность стабилизации предельного тока преобразователя, обусловленная зависимостью регулируемого значения тока, во-первых, от сигнала рассогласования по напряжению (ΔU_cm) и, во-вторых, от входных возмущающих воздействий (учитывается коэффициентом К_з, который является функцией входного напряжения, сопротивления нагрузки и сопротивления силовой цепи преобразователя).

Предлагаемое изобретение решает задачу уменьшения погрешности стабилизации предельного значения выходного тока преобразователя постоянного напряжения.

Текущие значения сигналов обратной связи преобразователя по напряжению и току сравнивают с опорными значениями. На основании результатов сравнения вырабатывают сигналы рассогласования по напряжению и по току. С помощью сигнала рассогласования по напряжению и сигнала пилообразной формы формируют первый ШИМ-сигнал, который используют для управления регулирующим элементом преобразователя в то время, пока значение его выходного тока находится в допустимом рабочем диапазоне (режим стабилизации напряжения). С помощью сигнала рассогласования по току и пилообразного напряжения формируют второй ШИМ-сигнал таким образом, что происходит модуляция одноименных фронтов полученных ШИМ-сигналов. Выходной ШИМ-сигнал, управляющий регулирующим элементом преобразователя, формируется в результате конъюнкции первого и второго ШИМ-сигналов. Полученный выходной управляющий ШИМ-сигнал демодулируют и полученный сигнал коррекции суммируют с сигналом рассогласования по току.

Пример функциональной схемы ШИМ, в котором реализуется предлагаемый способ управления, показан на фигуре 3. В данном ШИМ условно можно выделить каналы регулирования напряжения и тока. Канал регулирования напряжения состоит из сумматора 1, который на основании сравнения сигнала обратной связи по напряжению U_U и опорного сигнала U_о.U вырабатывает сигнал рассогласования по напряжению, усилителя сигнала ошибки регулирования напряжения 7 и компаратора 11, на выходе которого формируется первый ШИМ-сигнал U_ШИМ1. Канал регулирования тока включает в себя сумматор 4, который на основании сравнения сигнала обратной связи по току U_I и опорного сигнала U_о.I вырабатывает сигнал рассогласования по току, сумматор 10, который добавляет к сигналу рассогласования по току сигнал коррекции U_К, формируемый демодулятором 14, компаратор 12, на выходе которого формируется второй ШИМ-сигнал U_ШИМ2. Для формирования обоих ШИМ-сигналов используется общий генератор синхронизирующего напряжения пилообразной формы 6. ШИМ-сигналы поступают на входы логического элемента 13, который выполняет операцию конъюнкции.

На фигуре 4 представлены временные диаграммы, поясняющие сущность предлагаемого способа управления. Из фигуры 4 видно, что в режиме стабилизации напряжения уровень сигнала на "отрицательном” входе компаратора 12 канала регулирования тока U_p.I, условно разделенного на составляющие U_о., U_I и U_К, находится ниже пилообразного напряжения. Поэтому сигнал на выходе компаратора 12 U_ШИМ2 равен логической "1" и на выход ШИМ через логический элемент 13 проходит первый ШИМ-сигнал U_шим1. По мере роста выходного тока сигнал U_p.I попадает в зону пилообразного напряжения, и в момент равенства U_I и U_о.I первый и второй ШИМ-сигналы оказываются равными (граничный режим). Дальнейшие внешние воздействия, например, уменьшение сопротивления нагрузки преобразователя, приводят к переходу схемы в режим стабилизации тока. В этом режиме из-за снижения выходного напряжения преобразователя ШИМ-сигнал U_ШИМ1 становится равным логической "1" и не влияет на работу ШИМ, сигнал на выходе ШИМ определяется только работой канала регулирования тока. Выходной ток, пропорциональный U_I, сохраняется постоянным.

В режиме стабилизации напряжения коэффициент заполнения выходных импульсов ШИМ не зависит от работы канала регулирования тока и равен

В режиме стабилизации тока коэффициент заполнения выходных импульсов ШИМ не зависит от работы канала регулирования напряжения и равен

Точность стабилизации тока можно оценить из формулы

U_I=U_о.I+(1-К_з)U_пил-U_к. (6)

В режиме стабилизации тока без дополнительной коррекции на выходе ШИМ присутствовал бы модулированный по длительности сигнал разности текущего (U_I') и опорного (U_о.I) значений тока преобразователя. Демодулятор, выполняющий функцию, обратную широтно-импульсному модулятору, формирует на своем выходе сигнал коррекции U_к, равный исходному (входному) сигналу ШИМ. То есть:

U_к=U'_I-U_о.I=U_пил(l-K_з), (7)

где U'_I=U_о.I+U_пил(l-K_з) - напряжение, пропорциональное текущему значению тока преобразователя без сигнала коррекции.

Подставив (7) в (6), получим

U_I=U_о.I=const (8)

Сопоставляя выражение (6) для предлагаемого способа управления с выражениями (2) и (3) можно сделать заключение, что благодаря формированию отдельного ШИМ-сигнала для регулирования тока по приведенному алгоритму удается исключить влияние статической ошибки стабилизации напряжения (ΔU_cm) на значение стабилизируемого тока. Введение в контур регулирования тока корректирующего сигнала U_K, являющегося функцией коэффициента заполнения ШИМ, позволяет компенсировать воздействие на работу преобразователя в режиме стабилизации тока всех внешних дестабилизирующих факторов, влияние которых отражается на коэффициенте заполнения. Наиболее значимы из них изменение входного напряжения преобразователя и изменение сопротивления нагрузки. В результате значение стабилизируемого тока преобразователя постоянно и равно заданному предельному значению.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1 А.И.Чернышев, Ю.М.Казанцев, Е.Н.Патлахов. Стабилизатор напряжения с повышенной функциональной надежностью. - В кн.: Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА. Материалы семинара. Москва, 1983 г. с.92-96.

2 Системы электропитания космических аппаратов / Б.П.Соустин, В.И.Иванчура, А.И.Чернышев, Ш.Н.Исляев. - Новосибирск: ВО “Наука”. Сибирская издательская фирма, 1994. - 318 с.

Способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигнала управления регулирующим элементом, заключающийся в том, что измеряют выходное напряжение и ток преобразователя, измеренное выходное напряжение сравнивают с заданным опорным напряжением и получают сигнал рассогласования по напряжению, на основе которого формируют первый ШИМ-сигнал, измеренный выходной ток преобразователя сравнивают с опорным током и получают сигнал рассогласования по току, отличающийся тем, что сигнал рассогласования по току используют для формирования второго ШИМ-сигнала, после конъюнкции первого и второго ШИМ-сигналов получают выходной ШИМ-сигнал управления регулирующим элементом, этот сигнал демодулируют и полученный сигнал коррекции суммируют с сигналом рассогласования по току.