RU2046528C1 - Method for controlling follow-up pulsed converter - Google Patents

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: method involves shaping of error signal inversely proportional to conjugated error determined as error at opposite state of switching elements of converter which enable regulation of rate of change-over of switching elements within practically entire output voltage regulation range. EFFECT: improved accuracy of regulation of rate of change-over of converter switching elements. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления преобразователем, питающимся от источника постоянного напряжения, к которому предъявляются повышенные требования по качеству регулирования выходного напряжения. The invention relates to electrical engineering and can be used to control a converter powered by a constant voltage source, which has increased demands on the quality of regulation of the output voltage.

Известен способ управления преобразователем, состоящий в формировании выходного напряжения из последовательности прямоугольных импульсов, следующих с определенной частотой, длительность которых промодулирована по закону задающего напряжения [1]
Недостатком такого способа является зависимость регулируемого значения выходного напряжения преобразователя от паpаметров источника питания.A known method of controlling the Converter, consisting in the formation of the output voltage from a sequence of rectangular pulses following with a certain frequency, the duration of which is modulated according to the law of the set voltage [1]
The disadvantage of this method is the dependence of the adjustable value of the output voltage of the Converter from the parameters of the power source.

Наиболее близким к изобретению является способ управления следящим импульсным преобразователем, заключающийся в том, что формируют сигнал задания, формируют сигнал, пропорциональный мгновенному значению выходного напряжения преобразователя, сравнивают его с сигналом задания, в результате сравнения получают сигнал ошибки, формируют на его основе сигнал рассогласования, непрерывно интегрируют его, формируют два равных по величине разнополярных уровня переключения, сравнивают интеграл сигнала рассогласования с уровнями переключения и в моменты их равенства переключают ключевые элементы преобразователя, в котором значение сигнала рассогласования определяют в линейной зависимости от значения сигнала ошибки [2]
В этом способе устраняется влияние изменения параметров источника питания на величину выходного напряжения, однако при регулировании сигнала задания в значительной степени изменяется частота переключения ключевых элементов преобразователя, что затрудняет оптимальный выбор параметров фильтра выходного напряжения.Closest to the invention is a method for controlling a tracking pulse converter, which consists in generating a reference signal, generating a signal proportional to the instantaneous value of the output voltage of the converter, comparing it with the reference signal, resulting in an error signal, generating an error signal based on it, continuously integrate it, form two equal-sized bipolar switching levels, compare the integral of the error signal with the switching levels and at the moments of their equality switch the key elements of the Converter, in which the value of the error signal is determined in linear dependence on the value of the error signal [2]
This method eliminates the influence of changing the parameters of the power source on the value of the output voltage, however, when regulating the reference signal, the switching frequency of the key elements of the converter significantly changes, which makes it difficult to optimally select the parameters of the filter of the output voltage.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стабильности частоты переключений ключевых элементов преобразователя при регулировании выходного напряжения. The technical result of the proposed method is to increase the stability of the switching frequency of the key elements of the Converter when regulating the output voltage.

Этот результат достигается тем, что по способу управления следящим импульсным преобразователем, заключающемуся в том, что формируют сигнал задания, формируют сигнал, пропорциональный мгновенному значению выходного напряжения преобразователя, сравнивают его с сигналом задания, в результате сравнения получают приведенное значение сигнала ошибки, формируют на его основе сигнал рассогласования, непрерывно интегрируют его, формируют два равных по величине разнополярных уровня переключения, сравнивают интеграл сигнала рассогласования с уровнями переключения и в моменты их равенства переключают ключевые элементы преобразователя, сигнал рассогласования формируют путем умножения приведенного сигнала ошибки на коэффициент, определяемый формулой
K

где U_з напряжение сигнала задания;
Е_п сигнал, пропорциональный выходному напряжению, приведенный к сигналу задания;
U_п пороговое напряжение уровней переключения.This result is achieved by the fact that by the method of controlling the tracking pulse converter, which consists in generating a reference signal, generating a signal proportional to the instantaneous value of the output voltage of the converter, comparing it with the reference signal, resulting in a comparison, the reduced value of the error signal is generated on it based on the mismatch signal, continuously integrate it, form two equal-to-different bipolar switching levels, compare the integral of the mismatch signal with switching levels and at the moments of their equality switch the key elements of the transducer, the mismatch signal is formed by multiplying the reduced error signal by a coefficient determined by the formula
K

where U _{s the} voltage of the reference signal;
E _p signal proportional to the output voltage, reduced to the reference signal;
U _p threshold voltage switching levels.

На фиг. 1 изображена функциональная схема преобразователя, реализующего предложенный способ; на фиг.2 характеристика "вход выход" функционального преобразователя сигнала ошибки в сигнал рассогласования, где +Е, -Е уровни выходного напряжения преобразователя, U_о сигнал ошибки, U_норм нормирующее напряжениe, U_р сигнал рассогласования, U_и выходное напряжение интегратора, +U_п, -U_п напряжения уровней переключения компаратора, U_вых выходное напряжение преобразователя.In FIG. 1 shows a functional diagram of a converter that implements the proposed method; figure 2, the characteristic "input output" of the functional Converter of the error signal into the error signal, where + E, -E levels of the output voltage of the converter, U _about the error signal, U _norms normalizing voltage, U _p the error signal, U _{and the} output voltage of the integrator, + U _p , -U _p voltage levels of the switching comparator, U _o output voltage of the Converter.

Импульсный преобразователь состоит из узла 1 задания, датчика 2 выходного напряжения преобразователя, узла 3 выделения ошибки (сумматор), функционального преобразователя 4, интегратора 5, компаратора 6 с узлом 7 задания уровней сравнения, ключевых элементов 8 и 9. Один из входов узла 3 выделения ошибки подключен к источнику 1 задающего напряжения, другой вход к выходу датчика 2 выходного напряжения преобразователя, а выход к входу функционального преобразователя 4, выход которого соединен с входом интегратора 5. Выход последнего подключен к одному из входов компаратора 6, другой вход которого связан с выходом узла 7 задания уровней сравнения 7 с входом, соединенным с выходом компаратора 6 и входами ключевых элементов 8 и 9. Выходы ключевых элементов 8 и 9 связаны между собой, с выходным зажимом преобразователя и подключены к входу датчика 2 выходного напряжения преобразователя. The pulse converter consists of a task node 1, a sensor 2 of the converter output voltage, an error isolation node 3 (adder), a functional converter 4, an integrator 5, a comparator 6 with a node 7 for setting comparison levels, key elements 8 and 9. One of the inputs of the allocation node 3 the error is connected to the source 1 of the reference voltage, another input to the output of the sensor 2 of the output voltage of the converter, and the output to the input of the functional converter 4, the output of which is connected to the input of the integrator 5. The output of the latter is connected to one mu from the inputs of the comparator 6, the other input of which is connected to the output of the node 7 for setting the comparison levels 7 with the input connected to the output of the comparator 6 and the inputs of the key elements 8 and 9. The outputs of the key elements 8 and 9 are connected to each other, with the output terminal of the converter and connected to the input of the sensor 2 of the output voltage of the Converter.

Мгновенное значение выходного напряжения U_вых преобразователя может принимать лишь значения +Е или -Е, соответствующие напряжениям источников питания, так как силовые элементы 8 и 9 работают в режиме ключа.The instantaneous value of the output voltage U of the _output converter can take only the values + E or -E corresponding to the voltages of the power sources, since the power elements 8 and 9 operate in key mode.

Длительность включенного состояния одного из ключевых элементов можно определить из выражения
t_n=

где Т_и постоянная времени интегрирования интегратора 5;
К₁ текущее значение коэффициента пропорциональности функционального преобразователя 4, соответствующее данному значению ошибки.The duration of the on state of one of the key elements can be determined from the expression
t _n =

where T _{and the} integration time constant of the integrator 5;
To _{1 the} current value of the proportionality coefficient of the functional Converter 4, corresponding to this error value.

Длительность смежного интервала, соответствующего противоположному состоянию ключевых элементов 8 и 9, определяется как
t_n+1

где К₂ текущее значение коэффициента пропорциональности функционального преобразователя 4, соответствующего данному значению ошибки.The duration of the adjacent interval corresponding to the opposite state of key elements 8 and 9 is defined as
t _{n + 1}

where K _{2 is the} current value of the proportionality coefficient of the functional converter 4 corresponding to a given error value.

В общем случае коэффициенты К₁ и К₂ различны.In the general case, the coefficients K ₁ and K _{2 are} different.

Так как сумма длительностей смежных интервалов работы преобразователя составляет полный период работы, то можно записать
t_n + t_n+1 T.Since the sum of the durations of the adjacent operation intervals of the converter is the full period of operation, we can write
t _n + t _{n + 1} T.

Для определенности принимают Т4 Т_и. Тогда

+

4T
(1)
Разность длительностей смежных интервалов определяет среднее значение выходного напряжения преобразователя и пpопорционально значению напряжения задания в этих интервалах, т.е.For definiteness take T4 T _and . Then

+

4T
(1)
The difference in the durations of adjacent intervals determines the average value of the output voltage of the converter and is proportional to the value of the reference voltage in these intervals, i.e.

-4T_и

(2)
Суммируя выражения (1) и (2), получают

4 T

1-

откуда
(U_з+E_п)K₁=

(3)
Если из выражения (1) вычесть выражение (2), то после аналогичных преобразований получают
(U_з-E_п)K₂=

(4)
Очевидно, что выражения (3) и (4) с точностью до знака Е_п совпадают. Часть (U_з±Е_п) этих выражений представляет собой сигнал ошибки, а правая часть показывает, какой величины должен быть сигнал рассогласования, чтобы обеспечить условия уравнения (1) и (2), откуда видно, что сигнал рассогласования должен быть обратно пропорционален сопряженному значению ошибки, т.е. значению ошибки при противоположном состоянии ключевых элементов преобразователя. Такое значение сигнала рассогласования можно получить, умножая приведенное значение сигнала ошибки на коэффициент, определяемый формулой
K

(5)
Таким образом, выражения (3), (4) и (5) однозначно определяют вид зависимости "вход выход" функционального преобразователя 4, преобразующего сигнал ошибки в сигнал рассогласования, чтобы обеспечить достижение цели постоянство частоты переключения ключевых элементов преобразователя.

-4T _and

(2)
Summing up the expressions (1) and (2), get

4 T

1-

where from
(U _s + E _p ) K ₁ =

(3)
If we subtract expression (2) from expression (1), then after similar transformations we get
(U _s -E _p ) K ₂ =

(4)
Obviously, expressions (3) and (4) coincide up to the sign of E _n . Part (U _З ± Е _п ) of these expressions is an error signal, and the right part shows how large the mismatch signal should be to provide the conditions of equations (1) and (2), which shows that the mismatch signal should be inversely proportional to the conjugate error value, i.e. the error value in the opposite state of the key elements of the converter. This value of the error signal can be obtained by multiplying the reduced value of the error signal by a coefficient determined by the formula
K

(5)
Thus, expressions (3), (4) and (5) uniquely determine the type of dependence “input output” of the functional converter 4, which converts the error signal into a mismatch signal in order to achieve the goal of constant switching frequency of the key elements of the converter.

Величину порогового напряжения U_п целесообразно выражать в виде k U_max, где U_max максимально возможное напряжение рассогласования, обеспечиваемое элементами системы управления; k коэффициент пропорциональности.The value of the threshold voltage U _p it is advisable to express in the form k U _max , where U _{max the} maximum possible voltage mismatch provided by the elements of the control system; k is the coefficient of proportionality.

Если, например, принять U_max 10В. Е_п 5В, U_зmax 5В, k 0,1, то характеристика "вход-выход" функционального преобразователя 4 в соответствии с выражениями (3), (4) и (5) имеет вид, приведенный на фи г.2.If, for example, take U _max 10V. E _p 5V, U _Зmax 5V, k 0.1, then the input-output characteristic of functional converter 4 in accordance with expressions (3), (4) and (5) has the form shown in Fig. 2.

Сущность способа заключается в следующем. The essence of the method is as follows.

Задающий сигнал U_з подают на один из входов узла 3 выделения сигнала ошибки, где сравнивают с сигналом Е_п, пропорциональным мгновенному значению выходного напряжения, поступившим от датчика 2 выходного напряжения преобразователя. Полученный при этом сигнал ошибки приводят к относительной величине путем соответствующего выбора коэффициента передачи сумматора 3 и коэффициента передачи по соответствующему входу функционального преобразователя 4. При этом возможное минимальное значение сигнала ошибки равняется нулю, а максимально возможное значение величине нормирующего напряжения U_норм, относительно которого осуществляется приведение. По полученному относительному значению фактической ошибки вычисляют относительное значение сопряженной ошибки путем вычитания полученного относительного значения фактической ошибки из величины нормирующего напряжения. Осуществляя обратно пропорциональное преобразование полученного таким образом относительного значения сопряженной ошибки, путем умножения на коэффициент К функционального преобразователя 4, соответствующий зависимости (5), получают сигнал рассогласования, который используют для дальнейшего интегрирования и формирования автоколебательного алгоритма широтно-импульсного преобразования. Функциональный преобразователь 4 реализует зависимость, определяемую выражением (5) (при соответствующих знаках фактической ошибки). Следует отметить, что функциональный преобразователь 4, реализующий преобразования по предложенному способу, может быть выполнен и на основе нелинейных звеньев с диодно-резистивными цепочками.The driving signal U _{s is} applied to one of the inputs of the error signal isolation unit 3, where they are compared with the signal E _p proportional to the instantaneous value of the output voltage received from the sensor 2 of the converter output voltage. The error signal thus obtained leads to a relative value by appropriate selection of the transfer coefficient of the adder 3 and the transmission coefficient for the corresponding input of the functional converter 4. In this case, the possible minimum value of the error signal is zero, and the maximum possible value of the normalizing voltage U is the _norm , relative to which the reduction . Based on the obtained relative value of the actual error, the relative value of the conjugate error is calculated by subtracting the obtained relative value of the actual error from the value of the normalizing voltage. Carrying out the inverse proportional transformation of the relative conjugate error value obtained in this way, by multiplying by the coefficient K the functional converter 4 corresponding to dependence (5), a mismatch signal is obtained, which is used for further integration and the formation of a self-oscillating algorithm of pulse-width conversion. Functional Converter 4 implements the dependence defined by the expression (5) (with the corresponding signs of the actual error). It should be noted that the functional converter 4, which implements the transformations according to the proposed method, can be performed on the basis of nonlinear links with diode-resistive chains.

Таким образом, при работе преобразователя частота переключения ключевых элементов поддерживается постоянной. Из выражения (3) можно определить допустимое значение напряжения задания U_з, при котором частота переключения остается постоянной. Преобразуя это выражение и учитывая, что максимальное значение выходного напряжения функционального преобразователя 4 не может превышать U_max, получают

U_max откуда U_{з доп}= kE_п-E_п= E_п(k-1)
Так, при принятых ранее величинах U_здоп -4,5В, что соответствует 0,9 U_max. Таким образом, в данном конкретном случае предложенный способ обеспечивает постоянство частоты переключений ключевых элементов преобразователя в диапазоне от 0 до 0,9 максимально возможного выходного напряжения.Thus, during operation of the converter, the switching frequency of the key elements is kept constant. From expression (3), it is possible to determine the permissible value of the reference voltage U _s at which the switching frequency remains constant. Transforming this expression and considering that the maximum value of the output voltage of the functional Converter 4 cannot exceed U _max , get

U _max whence U _{s add} = kE _p -E _p = E _p (k-1)
So, with the previously accepted values of U _zdop -4.5V, which corresponds to 0.9 U _max . Thus, in this particular case, the proposed method provides a constant switching frequency of the key elements of the Converter in the range from 0 to 0.9 of the maximum possible output voltage.

Применение предложенного способа управления позволяет повысить качественные показатели преобразователей и дает возможность оптимизировать параметры выходных фильтров, предназначенных для сглаживания выходного напряжения преобразователей такого типа, и вследствие этого повысить энергетическую эффективность преобразователя в целом. The application of the proposed control method allows to improve the quality indicators of the converters and makes it possible to optimize the parameters of the output filters designed to smooth the output voltage of converters of this type, and as a result to increase the energy efficiency of the converter as a whole.

Claims (1)

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, заключающийся в том, что формируют сигнал задания, формируют сигнал, пропорциональный мгновенному значению выходного напряжения преобразователя, сравнивают его с сигналом задания, в результате сравнения получают приведенное значение сигнала ошибки, формируют на его основе сигнал рассогласования, непрерывно интегрируют его, формируют два равных по величине разнополярных уровня переключения, сравнивают интеграл сигнала рассогласования с уровнями переключения и в моменты их равенства переключают ключевые элементы преобразователя, отличающийся тем, что сигнал рассогласования формируют путем умножения приведенного сигнала ошибки на коэффициент, определяемый формулой

где U_з напряжение сигнала задания;
E_п сигнал, пропорциональный выходному напряжению, приведенный к сигналу задания;
U_п пороговое напряжение уровней переключения.METHOD FOR CONTROL OF THE NEXT PULSE CONVERTER, which consists in generating a reference signal, generating a signal proportional to the instantaneous value of the converter output voltage, comparing it with the reference signal, resulting in a given error signal value, generating a mismatch signal on its basis, and continuously integrating it , form two equal-sized bipolar switching levels, compare the integral of the error signal with the switching levels and at the moments of their equal nstva key switch of the inverter, characterized in that the error signal is formed by multiplying the error signal given by a coefficient determined by the formula

where U _{s the} voltage of the reference signal;
E _p signal proportional to the output voltage, reduced to the reference signal;
U _p threshold voltage switching levels.

Images