Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

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),

где p_i(t) - элементы вектора количества движения системы; b_ik(t) - элементы вектора параметров системы.

Известный способ управления обеспечивает управление по минимуму времени, однако требует определения текущих значений p_i(t), которые нелегко найти аналитически. В практических реализациях известного способа управления для определения текущих значений p_i(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

где i_L - ток дросселя; i_н - ток нагрузки; L - индуктивность дросселя фильтра, sign - функция знака, определяемая как

Текущее значение энергии, необходимой конденсатору фильтра для достижения заданного выходного напряжения, определяют выражением

где U_н - выходное напряжение; U_oп - 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

где t₁, t₂ - начальное и конечное время измерений соответственно; i_L1, i_L2 - начальное и конечное значения токов дросселя; U_L - напряжение на дросселе.

При единичном значении сигнала F_к ключевой элемент включен и происходит накопление энергии в реактивных элементах преобразователя, при нулевом значении сигнала F_к 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.

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_н 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_к, выходом датчика тока 5 является вывод i_L, выходом датчика тока 6 - вывод i_н, второй вывод ключевого элемента 1 соединен с входной шиной питания U_п, второй вывод диода 4 - с общей шиной GND, второй вывод дросселя фильтра 2 - с выходной шиной U_н и нагрузкой R_н.

Устройство, реализующее предложенный способ управления, состоит из блока расчета энергетического баланса 7, блока 8 формирователя управляющего сигнала F_к 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_L и i_н соединены с выходами датчиков тока 5 и 6, вход u_н с выходной шиной преобразователя, на вход U_oп подается опорное напряжение, вход L_c соединен с одноименным выходом блока 10. Вход F_y блока 8 соединен с выходом блока 7, а выход соединен с управляющим электродом ключевого элемента 1. Блок 9 имеет два входа i_L и и_н, соединенные с одноименными входами блока 7. Вход L блока 10 соединен с выходом блока 9, а выход соединен со входом L_c блока 7.

Преобразователь напряжения с устройством, реализующим предложенный способ управления, работает следующим образом: на входы i_L, i_н, u_н и U_oп узла 7 поступают измеренные значения тока дросселя фильтра 2, выходного тока преобразователя, напряжения нагрузки и сигнал L_c с выхода блока 10 с установленным начальным значением индуктивности дросселя фильтра 2, а также опорное напряжение, на выходе F_y 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_к согласно (2), отвечающий за переключение ключевого элемента 1, при нулевом значении сигнала F_к ключевой элемент 1 выключен, а при единичном - включен.

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_L и u_н, 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.