RU2420853C1 - High-precision method to control pulse current stabiliser - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: current value of current is measured directly in a load circuit, it is digitised and saved in the memory of a microcontroller, off-duty ratio of a PDM-signal is calculated in a software-based manner simultaneously using the sequence of saved values and the specified current value, and only afterwards the PDM-signal is formed to control an inverter, and then the output current of the inverter is rectified and smoothened. ^ EFFECT: high stabilisation of current passing through a load without previous transformation and possibility to adjust the current in the wide range of values from 1 to 25 A. ^ 1 dwg, 3 tbl

Description

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока относится к области электротехники, а именно к способам управления постоянным током, и может быть использован для построения мощных лабораторных импульсных источников стабилизированного постоянного тока.A high-precision method for controlling a pulsed current stabilizer belongs to the field of electrical engineering, namely to methods for controlling a direct current, and can be used to build powerful laboratory pulsed sources of stabilized direct current.

Известен способ широтно-импульсного управления стабилизатором тока в нагрузке [1], обеспечивающий стабильность среднего значения тока, при этом через нагрузку течет импульсный ток постоянной частоты и амплитуды с изменяющейся скважностью.There is a method of pulse-width control of a current stabilizer in a load [1], which ensures the stability of the average current value, while a pulse current of constant frequency and amplitude with varying duty cycle flows through the load.

Недостатком способа является тот факт, что для стабилизации тока выходной цепи осуществляется контроль с помощью резистивного датчика тока во входной цепи стабилизатора, тем самым не учитывается влияние саморазогрева ключа управления. Это приводит к ухудшению стабилизации среднего значения выходного тока, что предъявляет повышенные требования к подбору ключа управления на этапе наладки устройства.The disadvantage of this method is the fact that to stabilize the current of the output circuit, it is monitored using a resistive current sensor in the input circuit of the stabilizer, thereby not taking into account the effect of self-heating of the control key. This leads to a deterioration in the stabilization of the average value of the output current, which imposes increased requirements for the selection of the control key at the stage of setting up the device.

Известен принятый в качестве прототипа способ управления импульсным стабилизатором тока [2], основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнала управления инвертором. Способ заключается в том, что измеряют текущее значение стабилизируемого тока, сравнивают его с заданным значением, формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, трансформируют переменное напряжение с выхода инвертора, выпрямляют и сглаживают выходной ток.Known adopted as a prototype method for controlling a pulsed current stabilizer [2], based on pulse-width modulation (PWM) of the control signal of the inverter. The method consists in measuring the current value of the stabilized current, comparing it with a predetermined value, generating a PWM inverter control signal, transforming the alternating voltage from the inverter output, rectifying and smoothing the output current.

Недостатком прототипа является то, что стабилизация выходного тока производится в результате сравнения заданного значения тока с выделяемой при помощи пикового детектора в выходной цепи инвертора амплитудой переменного тока, которая отождествляется с текущим значением стабилизируемого постоянного тока цепи нагрузки. На самом деле существенное различие между значением выделяемой детектором амплитуды переменного тока в выходной цепи инвертора и значением стабилизированного постоянного тока в цепи нагрузки обусловлено тепловыми потерями в цепи трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра. Способ не обеспечивает заданную высокую точность стабилизации для использования в прецизионных стабилизаторах постоянного тока. Еще один недостаток - прототип не позволяет динамически корректировать параметр скважности управляющего ШИМ-сигнала в условиях изменения режима нагрузки, что ограничивает возможности по улучшению и достижению высокой точности управления стабилизатором постоянного тока.The disadvantage of the prototype is that the stabilization of the output current is performed by comparing the set current value with the amplitude of the alternating current, which is identified with the peak detector in the output circuit of the inverter, which is identified with the current value of the stabilized direct current of the load circuit. In fact, the significant difference between the value of the amplitude of the alternating current emitted by the detector in the output circuit of the inverter and the value of the stabilized direct current in the load circuit is due to heat losses in the circuit of the transformer, rectifier, and smoothing filter. The method does not provide a given high accuracy of stabilization for use in precision DC stabilizers. Another disadvantage - the prototype does not allow you to dynamically adjust the duty cycle parameter of the control PWM signal under changing load conditions, which limits the ability to improve and achieve high accuracy control of the DC stabilizer.

Заявляемый способ управления импульсным стабилизатором тока обеспечивает высокую точность стабилизации выходного тока не менее 99,98% (нестабильность не более 0,02%) и позволяет установить заданное значение тока в широком диапазоне от 1 и до 25 А.The inventive method of controlling a pulsed current stabilizer provides high accuracy of stabilization of the output current of at least 99.98% (instability of not more than 0.02%) and allows you to set the set current value in a wide range from 1 to 25 A.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигнала управления инвертором, заключающийся в том, что измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают его и сохраняют в памяти микроконтроллера, вычисляют программным способом скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока и только после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора без предварительной трансформации.A high-precision method of controlling a pulsed current stabilizer, based on pulse-width modulation of the inverter control signal, which consists in measuring the current current value directly in the load circuit, digitizing it and storing it in the microcontroller’s memory, calculating the duty cycle of the PWM signal simultaneously using a sequence of stored values and the set current value, and only after that form the PWM control signal of the inverter, and then rectify and smooth the invert output current RA without preliminary transformation.

В заявляемом способе в определенные тактовые моменты времени измеряют ток, протекающий через нагрузку, затем его оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и сохраняют в памяти микроконтроллера (МК). При этом перед записью текущего значения тока в памяти МК всегда хранится m соответствующих предыдущим тактовым моментам времени значений тока, из которых первое значение, предшествующее остальным значениям, удаляют со сдвигом всей последовательности на одну позицию, а текущее значение сохраняют в конце последовательности. Параметр m определяют в соответствии с требуемым качеством стабилизации выходного тока.In the inventive method, at certain clock times, the current flowing through the load is measured, then it is digitized using an analog-to-digital converter (ADC) and stored in the memory of the microcontroller (MK). In this case, before recording the current current value in the MK memory, m current values corresponding to previous clock times are always stored, from which the first value preceding the remaining values is deleted with a shift of the entire sequence by one position, and the current value is stored at the end of the sequence. The parameter m is determined in accordance with the required quality of stabilization of the output current.

Заданное пользователем значение тока, а также последовательность из m значений выходного тока стабилизатора, хранимых в оперативной памяти МК и включающих в себя текущее измеренное значение, используют для вычисления «прогнозного» значения параметра скважности ШИМ-сигнала управления инвертором с помощью соответствующей программы МК. Определенное таким способом значение скважности ШИМ-сигнала позволяет с достаточно высокой вероятностью прогнозировать дальнейшее изменение величины выходного тока и тем самым компенсировать это изменение соответствующим изменением скважности ШИМ-сигнала управления инвертором.The user-specified current value, as well as a sequence of m values of the output current of the stabilizer stored in the RAM memory and including the current measured value, is used to calculate the "predicted" value of the duty cycle parameter of the PWM control signal of the inverter using the corresponding MK program. The PWM signal duty cycle value determined in this way allows a high probability to predict a further change in the output current value and thereby compensate for this change with a corresponding change in the duty cycle of the PWM control signal of the inverter.

Точность стабилизации напрямую зависит от разрядности АЦП и оценивается известным выражением:The stabilization accuracy directly depends on the ADC capacity and is estimated by the well-known expression:

q=1-ε,q = 1-ε,

где q - оцениваемая точность стабилизации, ε=1/2ⁿ - погрешность стабилизации; n - разрядность аналого-цифрового преобразования.where q is the estimated stabilization accuracy, ε = 1/2 ⁿ is the stabilization error; n is the bit depth of the analog-to-digital conversion.

Для предотвращения «модуляции» выходного тока в цепи нагрузки, связанной с ошибками в квантовании скважности управляющего ШИМ-сигнала, и обеспечения устойчивой стабилизации разрядность ШИМ-контроллера выбирают исходя из условия превышения его разрядности над разрядностью АЦП, что не может быть обеспечено стандартными модулями ШИМ-контроллеров, входящих в состав МК. Поэтому цифровой ШИМ-контроллер в данном случае реализуют на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), в программной конфигурации которой формируют функциональные блоки: счетчик импульсов, генератор прямоугольного напряжения и регистр скважности. Работа ШИМ-контроллера заключается в том, что счетчик считает импульсы от генератора прямоугольного напряжения, при совпадении значения счетчика со значением в регистре скважности схема формирования выходного сигнала формирует фронт управляющего сигнала. При переполнении счетчика происходит сброс и генерация спада управляющего сигнала.To prevent “modulation” of the output current in the load circuit associated with errors in the quantization of the duty cycle of the control PWM signal, and to ensure stable stabilization, the width of the PWM controller is selected based on the condition that its bit exceeds the capacity of the ADC, which cannot be provided with standard PWM modules controllers that are part of the MK. Therefore, a digital PWM controller in this case is implemented on a programmable logic integrated circuit (FPGA), in the software configuration of which functional blocks are formed: a pulse counter, a square-wave voltage generator and a duty cycle register. The work of the PWM controller is that the counter counts the pulses from the square-wave generator, when the counter value matches the value in the duty cycle register, the output signal generation circuit generates a front of the control signal. When the counter overflows, a reset and a drop in the control signal occurs.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ.The drawing shows a structural diagram of a device that implements this method.

Устройство содержит инвертор 2, вход которого через входной фильтр 1 соединен с источником электрической энергии. Выход инвертора 1 подключен к входу выпрямителя 3, выход которого через выходной фильтр 4 подключен к нагрузке 5, последовательно с которой включен прецизионный низкоомный шунт 6. Сигнал с шунта 6 подается на АЦП 8 через предусилитель 7. Дискретная величина с выхода АЦП 8 поступает в МК 9, который вычисляет оценку параметра скважности ШИМ-сигнала и передает ее в цифровой ШИМ-контроллер 10, который непосредственно управляет работой инвертора 1. Устройство работает следующим образом.The device comprises an inverter 2, the input of which is connected through an input filter 1 to an electric energy source. The inverter 1 output is connected to the input of the rectifier 3, the output of which through the output filter 4 is connected to the load 5, in series with which the precision low-resistance shunt 6 is turned on. The signal from the shunt 6 is fed to the ADC 8 through the preamplifier 7. The discrete value from the output of the ADC 8 is supplied to the MK 9, which calculates the estimate of the duty cycle parameter of the PWM signal and transfers it to the digital PWM controller 10, which directly controls the operation of the inverter 1. The device operates as follows.

Входной фильтр 1 сглаживает пульсации от нестабилизированного источника напряжения, например от низкочастотного трансформатора с выпрямителем, подключенного к сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. Инвертор 2 пропорционально скважности управляющего сигнала формирует на выходе импульсный ток, который (без какой-либо трансформации) поступает непосредственно на выпрямитель 3. Выпрямитель 3 преобразует импульсный ток с выхода инвертора в постоянный, который затем сглаживается с помощью выходного фильтра 4 и подается в нагрузку 5, в цепи которой последовательно включен прецизионный низкоомный шунт 6. Напряжение с шунта 6, которое, согласно закону Ома, пропорционально току, поступает на АЦП 8 через предусилитель 7, который преобразует напряжение, снимаемое с шунта 6, до необходимого уровня в соответствии с динамическим диапазоном входного напряжения на АЦП 8. Дискретное значение выходного напряжения АЦП 8 передается в МК 9, где пересчитывается в цифровые значения тока. МК 9 определяет «прогнозную» численную оценку значения скважности и передает ее в цифровой ШИМ-контроллер 10, который формирует сигнал прямоугольной формы для управления инвертором 1.The input filter 1 smoothes the ripple from an unstabilized voltage source, for example, from a low-frequency transformer with a rectifier connected to an AC network with a voltage of 220 V and a frequency of 50 Hz. Inverter 2, in proportion to the duty cycle of the control signal, generates a pulsed current at the output, which (without any transformation) is supplied directly to the rectifier 3. Rectifier 3 converts the pulsed current from the inverter output to direct, which is then smoothed using the output filter 4 and fed to the load 5 , in the circuit of which a precision low-resistance shunt 6 is connected in series. The voltage from shunt 6, which, according to Ohm's law, is proportional to the current, is fed to the ADC 8 through the preamplifier 7, which converts the voltage ix taken from the shunt 6, to the required level in accordance with the dynamic range of the input voltage to the ADC 8. The ADC 8 discrete value of the output voltage is transmitted to the IC 9, which is converted to digital current values. MK 9 determines the “predictive” numerical estimate of the duty cycle value and transmits it to the digital PWM controller 10, which generates a square-wave signal for controlling the inverter 1.

Тестирование способаMethod Testing

Изготовленный импульсный стабилизатор тока, применяемый для питания «температурной эталонной» лампы накаливания ТРУ 1100-2350 в качестве модели «абсолютно черного тела», используют для тестирования способа в отношении заявленной точности стабилизации тока.The manufactured pulse current stabilizer used to power the “temperature reference” incandescent lamp TRU 1100-2350 as a model of a “completely black body” is used to test the method with respect to the stated accuracy of current stabilization.

Для гарантирования минимальной погрешности на температуру эталона, указанной в паспорте лампы, требуется точность стабилизации не менее 99,95% (нестабильность не более 0,05%). Выбирают микроконтроллер с разрядностью 32 бита, АЦП с разрядностью 14 бит и ШИМ-контроллер с разрядностью 16 бит. Инвертор и выпрямитель реализуют по стандартной понижающей схеме на основе двух полевых транзисторов, катушки индуктивности и конденсатора.To guarantee a minimum error in the temperature of the standard specified in the lamp passport, stabilization accuracy of at least 99.95% (instability of not more than 0.05%) is required. Choose a microcontroller with a capacity of 32 bits, an ADC with a capacity of 14 bits and a PWM controller with a capacity of 16 bits. The inverter and rectifier are implemented according to a standard step-down circuit based on two field-effect transistors, an inductor and a capacitor.

Для тестирования способа выбирают значения в начале, середине и в конце диапазона выходного тока: 1,0199 А, 15,889 А, 24,949 А. Изменения выходного тока стабилизатора в установившихся режимах для указанных значений тока представлены в таблицах 1-3. Промежуток времени между соседними отсчетами соответствует 0,1 с. Время выхода на номинальный режим работы занимает 0,7 с. Технический результат заключается в повышенной стабилизации тока, протекающего через нагрузку без предварительной трансформации, и возможности регулирования тока в широких пределах с заданной точностью, а также улучшением технологичности стабилизатора тока.To test the method, select the values at the beginning, middle and end of the range of the output current: 1.0199 A, 15.889 A, 24.949 A. Changes in the stabilizer output current in steady-state modes for the indicated current values are presented in Tables 1-3. The time interval between adjacent samples corresponds to 0.1 s. Time to reach nominal operation takes 0.7 s. The technical result consists in increased stabilization of the current flowing through the load without preliminary transformation, and the possibility of regulating the current over a wide range with a given accuracy, as well as improving the manufacturability of the current stabilizer.

Таким образом, заявляемый способ, основанный на адаптации параметра скважности ШИМ-сигнала управления инвертором к динамике изменения режимов нагрузки, позволяет обеспечить высокую точность стабилизации выходного тока стабилизатора не менее 99,98% в широком диапазоне значений от 1 до 25 А.Thus, the inventive method, based on the adaptation of the duty cycle parameter of the PWM control signal of the inverter to the dynamics of changes in load conditions, allows for high stabilization accuracy of the stabilizer output current of at least 99.98% in a wide range of values from 1 to 25 A.

Таблица 1Table 1 Изменение выходного тока стабилизатора для значения 1,0199 АChange in stabilizer output current for a value of 1.0199 A №No. Ток, АCurrent, A №No. Ток, АCurrent, A 1one 1,02001,0200 2626 1,01991,0199 22 1,02011,0201 2727 1,01991,0199 33 1,02011,0201 2828 1,01971,0197 4four 1,02001,0200 2929th 1,01981,0198 55 1,01991,0199 30thirty 1,01991,0199 66 1,01981,0198 3131 1,02011,0201 77 1,01971,0197 3232 1,01991,0199 88 1,01991,0199 3333 1,02001,0200 99 1,02011,0201 3434 1,01981,0198 1010 1,01981,0198 3535 1,01981,0198 11eleven 1,02001,0200 3636 1,02001,0200 1212 1,01981,0198 3737 1,02011,0201 1313 1,01991,0199 3838 1,01991,0199 14fourteen 1,02001,0200 3939 1,02001,0200 15fifteen 1,01991,0199 4040 1,01981,0198 1616 1,01991,0199 4141 1,02001,0200 1717 1,02001,0200 4242 1,02001,0200 18eighteen 1,02001,0200 4343 1,01991,0199 1919 1,01991,0199 4444 1,02001,0200 20twenty 1,01991,0199 4545 1,02011,0201 2121 1,02011,0201 4646 1,01991,0199 2222 1,01981,0198 4747 1,01991,0199 2323 1,01981,0198 4848 1,02001,0200 2424 1,02011,0201 4949 1,02011,0201 2525 1,02011,0201 50fifty 1,01971,0197

Данные приведены в промежутке времени 5 с (интервал между соседними точками отсчета - 0,1 с).The data are given in a time interval of 5 s (the interval between adjacent reference points is 0.1 s).

Таблица 2table 2 Изменение выходного тока стабилизатора для значения 15,889 АChange in stabilizer output current for 15.889 A №No. Ток, АCurrent, A №No. Ток, АCurrent, A 1one 15,89015,890 2626 15,88815,888 22 15,88715,887 2727 15,89215,892 33 15,89215,892 2828 15,88815,888 4four 15,89215,892 2929th 15,89015,890 55 15,88715,887 30thirty 15,89015,890 66 15,89115,891 3131 15,88815,888 77 15,89015,890 3232 15,88815,888 88 15,89215,892 3333 15,89115,891 99 15,88815,888 3434 15,89015,890 1010 15,89115,891 3535 15,89115,891 11eleven 15,89015,890 3636 15,89015,890 1212 15,88915,889 3737 15,88915,889 1313 15,89115,891 3838 15,88815,888 14fourteen 15,88715,887 3939 15,89015,890 15fifteen 15,89015,890 4040 15,89115,891 1616 15,88815,888 4141 15,89115,891 1717 15,88815,888 4242 15,88715,887 18eighteen 15,89115,891 4343 15,89015,890 1919 15,88815,888 4444 15,88815,888 20twenty 15,88815,888 4545 15,89015,890 2121 15,88915,889 4646 15,88715,887 2222 15,89115,891 4747 15,89015,890 2323 15,88815,888 4848 15,89115,891 2424 15,89115,891 4949 15,89015,890 2525 15,89115,891 50fifty 15,88715,887

Данные приведены в промежутке времени 5 с (интервал между соседними точками отсчета - 0,1 с).The data are given in a time interval of 5 s (the interval between adjacent reference points is 0.1 s).

Таблица 3Table 3 Изменение выходного тока стабилизатора для значения 24,949 АChange in stabilizer output current for 24.949 A №No. Ток, АCurrent, A №No. Ток, АCurrent, A 1one 24,95124,951 2626 24,95224,952 22 24,95124,951 2727 24,94524,945 33 24,95224,952 2828 24,95324,953 4four 24,94724,947 2929th 24,95224,952 55 24,94524,945 30thirty 24,94924,949 66 24,95024,950 3131 24,94624,946 77 24,94624,946 3232 24,95324,953 88 24,94624,946 3333 24,94924,949 99 24,94724,947 3434 24,95024,950 1010 24,94724,947 3535 24,95124,951 11eleven 24,95024,950 3636 24,95124,951 1212 24,94824,948 3737 24,95224,952 1313 24,94824,948 3838 24,95024,950 14fourteen 24,95224,952 3939 24,95224,952 15fifteen 24,94824,948 4040 24,94824,948 1616 24,95324,953 4141 24,95224,952 1717 24,95024,950 4242 24,95324,953 18eighteen 24,94924,949 4343 24,95224,952 1919 24,94824,948 4444 24,94824,948 20twenty 24,95324,953 4545 24,95324,953 2121 24,95324,953 4646 24,94624,946 2222 24,95024,950 4747 24,94924,949 2323 24,95024,950 4848 24,95324,953 2424 24,95324,953 4949 24,94924,949 2525 24,95124,951 50fifty 24,95124,951

Данные приведены в промежутке времени 5 с (интервал между соседними точками отсчета - 0,1 с).The data are given in a time interval of 5 s (the interval between adjacent reference points is 0.1 s).

Источники информацииInformation sources

1. Жуков В., Косенко В., Косенко С. ШИ-Стабилизатор тока. - Радио, 1999, №5, с.34-35.1. Zhukov V., Kosenko V., Kosenko S. ShI-current stabilizer. - Radio, 1999, No. 5, p. 34-35.

2. Патент РФ №2366067, МПК H02M 3/335.2. RF patent No. 2366067, IPC H02M 3/335.

Claims (1)

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигнала управления инвертором, заключающийся в том, что измеряют текущее значение стабилизируемого тока, формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, выпрямляют и сглаживают выходной ток, отличающийся тем, что измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера, вычисляют программным способом скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока и только после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора без предварительной трансформации. A high-precision method of controlling a pulsed current stabilizer, based on pulse-width modulation of the inverter control signal, which means that the current value of the stabilized current is measured, the PWM control signal of the inverter is formed, the output current is rectified and smoothed, characterized in that the current value of current is measured directly in the load circuit, digitize and store in the memory of the microcontroller, calculate by software the duty cycle of the PWM signal simultaneously according to the sequence of stored values cheny and a predetermined current value and only thereafter form a PWM inverter control signal, and then rectifies and smoothes the output current without prior transformation.