Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ законов управления стабилизаторов напряжения сэп. предельные динамические характеристики ИСН 18
1.1. Анализ применяемых законов управления ИСН 18
1.1.1. Закон управления, полученный по критерию равенства нулю среднего за период повторения импульсов значения напряжения на индуктивности дросселя 19
1.1.2. Оптимальный по быстродействию закон управления 21
1.2. Исследования смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования ...32
1.3. Анализ динамических характеристик ИСН при прерывании модуляции 38
1.3.1. Анализ переходных процессов в ИСН с силовой цепью понижающего типа ...38
1.3.2. Анализ переходных процессов в ИСН с силовыми цепями повышающего и инвертирующего типов 42
1.4. Оценка неоптимальности работы быстродействующего ИСН в режимах прерывания модуляции 46
1.5. Методика выбора параметров стабилизаторов напряжения 53
Выводы по первой главе 55
2. Дискретное устройство управления быстродействующим ИСН 56
2.1. Актуальность применения цифровых устройств управленияимпульсными стабилизаторами напряжения 56
2.2. Дискретное устройство управления ИСН 57
2.2.1. Особенности цифрового управления процессами 57
2.2.2. Структурная схема дискретного устройства управления
импульсными стабилизаторами напряжения : 60
2.2.3. Дискретизация сигналов. Восстановление непрерывного сигнала по отдельным отсчетам 62
2.2.4. Определение адекватного количества интервалов дискретизации 65
2.3. Исследования работоспособности ИСН с дискретным
управлением при различном количестве выборок с помощью
имитационного моделирования 72
2.3.1. Анализ работы экстраполятора информационных сигналов... 72
2.3.2. Исследования переходных процессов в ИСН ПН 78
2.3.3. Исследования переходных процессов в ИСНПВ 81
2.4. Исследования частотных характеристик модуля выходного импеданса ИСН 86
Выводы по второй главе 91
3. Реализация устройства управления ИСН 92
3.1. Дискретизация опорного сигнала ШИМ 93
3.2. Способы реализации цифрового устройства управления 96
3.2.1. Аппаратная реализация устройства управления 97
3.2.2. Программная реализация устройства управления 98
3.2.3. Аппаратно-программная реалзация устройства управления... 99
3.3. Анализ средств аналого-цифровой обработки сигналов 100
3.4. Анализ современных технических средств цифровой обработки сигналов 106
3.4.1. Обзор программируемых логических интегральных схем 107
3.4.2. Общие сведения о базовых матричных кристаллах 109
3.4.3. Обзор микроконтроллеров 112
3.4.4. Обзор сигнальных процессоров 116
3.5. Особенности проектирования цифровой системы управления ИСН 121
Выводы по третьей главе ,. 126
Заключение 127
Список литературы
- Анализ применяемых законов управления ИСН
- Исследования смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования
- Актуальность применения цифровых устройств управленияимпульсными стабилизаторами напряжения
- Способы реализации цифрового устройства управления
Введение к работе
Актуальность. Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) широко применяются в системах электропитания (СЭП) автономных объектов (спутники связи, автоматические станции мониторинга окружающей среды, системы автоматики и связи автономного функционирования) для обеспечения передачи энергии от ее основного к буферному и на выход СЭП с одновременной стабилизацией выходного напряжения.
В последнее десятилетие требования к качеству выходного напряжения СЭП в динамических и статических режимах значительно возросли. Так, стандартом питания европейского космического агентства (ESA) допускается отклонение напряжения на выходе СЭП не более ±4 % относительно его допустимых статических значений длительностью не более 2 мс, регламентированы малые допустимые значения модуля выходного импеданса СЭП [1]. Отраслевые стандарты отечественных предприятий-изготовителей спутников связи также регламентируют схожие требования по качеству напряжения СЭП.
Анализ применяемых законов управления ИСН
В состав СЭП спутников связи в качестве стабилизирующего, разрядного и зарядного устройств могут входить ИСН с силовыми цепями понижающего, повышающего типов [16]. К таким ИСН предъявляются требования по обеспечению минимизации параметров переходных процессов -длительности и амплитуды отклонения выходного напряжения [17,18].
Рассмотрим два способа управления ИСН, обеспечивающих минимизацию указанных выше параметров переходных процессов: - использование закона управления, полученного по критерию установившегося режима в импульсной системе с фильтром - равенству нулю среднего за период повторения импульсов значения напряжения на индуктивности дросселя [5]; - использование закона управления, полученного с использованием полиномиальных уравнений синтеза [6].
Закон управления, полученный по критерию равенства нулю среднего за период повторения импульсов значения напряжения на индуктивности дросселя сигнал ошибки; Увых - выходной сигнал; Yon -сигнал задания; UlL(t), U2L(t) - напряжение на индуктивности дросселя до и после коммутации импульсного элемента соответственно; tm момент коммутации импульсного элемента, определяемый наименьшим положительным корнем уравнения F(t) = 0, когда в момент коммутации импульсный элемент выключается, и наименьшим по модулю отрицательным корнем, когда включается; VT[F,t) - состояние импульсного, элемента (VT=1 включен, VT=0 выключен); кс коэффициент, минимальное значение которого определяется по условию устойчивости колебаний на частоте синхронизации в стационарных режимах.
Составление условия замыкания (1.1) становится возможным потому, что в устройствах преобразовательной техники при допущении о малости пульсаций по отношению к полезной составляющей выходной координаты напряжение U2L(t) на интервале (tnK, tn+l) можно определять по простым моделям с использованием параметров текущего состояния системы.
Вследствие конечной длительности импульса ИСН представляется как система с изменяемым гистерезисом и предельным циклом, который устанавливается так, что x(tk) = 0, а среднее за период пульсаций значение сигнала ошибки х0 смещено относительно нуля на величину, не превышающую половины размаха пульсаций: х0 0.5{(х,-х2)[у0-(1-у0)]}, где у0 - коэффициент заполнения импульса в установившемся режиме.
При использовании производной сигнала ошибки сигнал развертки YAt) должен представлять собой временную зависимость прогнозируемых значений пульсирующей составляющей тока дросселя і = iL - ін в моменты коммутации, а уравнение закона управления получается добавлением в уравнение (1.1) двух равных в момент коммутации членов: измеренного и прогнозируемого токов iL:
Линеаризация упрощает формирование сигнала развертки, но при этом уменьшается запас устойчивости - амплитуда сигнала развертки по (1.4) минимально допустимая.
Аппаратно регулятор может быть реализован непосредственно по уравнению (1.2) на основе использования интеграторов, другой вариант -формирование сигнала временной развертки по моделям вида (1.3), (1.4), получаемым аналитическим решением уравнения (1.2). Реализация синтезированного закона управления ИСН с использованием цифровой техники затруднительна при высоких частотах преобразования. Также трудности возникают из-за сложной вычислительной процедуры, наличия перемножителей, что резко увеличивает внутреннюю разрядность вычислителя. Подобных недостатков лишен закон управления, полученный по критерию предельного быстродействия ИСН в окрестности стационарного режима, названный авторами оптимальным по быстродействию [6].
Исследования смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования
Одним из устройств, оказывающих значительное влияние на работу ИСН, является интегратор сигнала рассогласования (блок ОСБ на рисунке 1.5). Коэффициент передачи блока ОСБ определен в [23]. Предметом исследований является выбор уровней ограничения интеграла сигнала рассогласования, задающихся в блоке БПИ цепи обратной связи интегратора (рисунок 1.5). Предварительные исследования показали, что корректно заданные уровни ограничения могут существенно влиять на переходный процесс при коммутации нагрузки и, в зависимости от мощности нагрузки, входного напряжения, параметров силовой цепи и УУ, позволяют снижать перерегулирование до 50% и длительность переходного процесса на 10-20%. Также стоит отметить, что некорректно заданные уровни ограничения диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования могут сильно увеличить длительность переходного процесса.
В [24] показано, что с целью достижения высокого быстродействия системы при условии сохранения устойчивости, необходимо, по возможности, добиваться переходного процесса с перерегулированием в пределах 10-15% от первоначального отклонения, степень затухания должна быть в пределах 0.9-1. При достижении таких характеристик время регулирования будет меньше, чем при переходном процессе, носящем апериодический характер при одновременном сохранении устойчивости.
При проведении исследований, связанных с определением диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования, целесообразно определить зависимости изменения уровней диапазона ограничения от следующих параметров: - индуктивности дросселя силовой цепи L; - емкости конденсатора выходного фильтра С; - уровня входного напряжения UBx\ - периода преобразования/
В ходе исследований варьировались следующие параметры ИСН: частота преобразования/в диапазоне от 20 кГц до 120 кГц с шагом 20 кГц, индуктивность дросселя L в диапазоне от 50 мкГн до 300 мкГн с шагом 50 мкГн и емкость конденсатора выходного фильтра С в диапазоне от 100 мкФ до 1000 мкФ с шагом 100 мкФ. Были проведены исследования при входных напряжениях для ИСН ПН - UBx= Ю5В, t/BX= 120В; для ИСН ПВ -UBX 55В, UBX= 95В. Минимальная мощность нагрузки составляла 10-50 Вт,
Исследования по выбору уровней ограничения диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования целесообразно проводить при значениях входного напряжения, близких к, значению выходного напряжения. При этом скорости нарастания (для ИСН ПН) и спада (для ИСН ПВ) токов дросселя минимальны, время переходного процесса увеличивается, а на выходе ИСН возникает характерное перерегулирование, которое может быть снижено посредством задания уровней ограничения интегрирования (рис. 1.7, 1.8). В случае большой разницы напряжений на входе и выходе скорости изменения
На рисунках 1.12-1.14 приведены временные диаграммы работы при различных емкостях конденсатора выходного фильтра ИСН. Из анализа диаграмм видно, что зависимость уровней ограничения диапазона интегрирования слабо зависит от емкости конденсатора выходного фильтра при наличии мощного конденсатора. Однако, при увеличении частоты преобразования, наблюдается усиление зависимости уровней ограничения интегрирования от емкости конденсатора. Стоит отметить, что при значительном снижении емкости конденсатора выходного фильтра становится очень трудно обеспечить устойчивость ИСН при увеличении диапазона интегрирования.
На рисунках 1.15, 1.16 приведены диаграммы работы ИСН при частоте преобразования /= бОкГц. При сравнении аналогичных диаграмм, полученных при частоте работы /=40 кГц, наблюдается увеличение диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования при увеличении частоты преобразования.
Результаты исследований по установлению зависимостей уровня ограничения диапазона возможного изменения интеграла сигнала рассогласования от величины емкости С конденсатора выходного фильтра, индуктивности L дросселя силовой цепи и частоты преобразования / приведены в приложении А. Графически результаты проведенных исследований приведены на рис. 1.17. Значение смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования определяется по формуле Коф = К3[иниж/ил(Т)] - для ИСН ПН; Когр = (1-К3)[иверх/ил(Т)] - для ИСН ПВ, ил(Т) - амплитудное значение пилообразного сигнала ШИМ, К3 -статический коэффициент заполнения.
Актуальность применения цифровых устройств управленияимпульсными стабилизаторами напряжения
Реализация устройства управления ИСН, отвечающего требованиям по малой длительности переходных процессов, малым значениям выходного импеданса во всех режимах работы с привлечением аналоговой элементной базы становится затруднительной, особенно большие трудности возникают в обеспечении надежности, резко снижающейся из-за увеличения числа элементов в схеме, растет собственное энергопотребление устройства управления.
Сложность создания схемы управления ИСН согласно структурной схеме, приведенной на рис. 1.5 с применением аналоговой элементной базы, объясняется наличием перемножителей, необходимых для формирования коэффициента связи и расчета динамической составляющей тока конденсатора. Кроме того, при применении аналоговой техники возникают сложности с реализацией управления ИСН в режимах коммутации импульсной нагрузки согласно аналитическим выражениям (1.24)-(1.27), (1.35)-(1.38), затруднена реализация динамического смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования согласно результатам исследований, проведенных в разделе 1.2.
Переход к цифровой элементной базе позволит реализовать эти возможности управления ИСН, что существенно улучшит динамические характеристики разрабатываемых стабилизаторов в различных режимах работы. Кроме того, это позволит повысить надежность УУ. Поэтому переход на цифровую элементную базу является необходимостью.
Цифровая обработка принципиально связана с представлением любого сигнала в виде последовательности чисел. Это означает, что исходный аналоговый сигнал должен быть преобразован в исходную последовательность чисел (рис. 2.1), которая вычислителем по заданному алгоритму преобразуется в новую последовательность, однозначно соответствующую исходной. Из полученной новой последовательности формируется результирующий сигнал [35].
Основные элементы, необходимые для обобщенной процедуры цифровой обработки аналоговых сигналов следующие: - аналоговый фильтр низких частот (АФНЧ); - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); - устройство цифровой обработки сигналов (вычислитель); - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); - аналоговый сглаживающий фильтр низких частот (СФНЧ). Устройство, объединяющее АФНЧ и АЦП, называется кодером. Кодер формирует последовательность чисел, соответствующую обрабатываемому аналоговому сигналу. АФНЧ предотвращает искажения спектра типа наложения, которые возникают в спектре цифрового сигнала при недостаточной частоте дискретизации. Входные сигналы схемы управления ИСН - токи нагрузки и дросселя, входное напряжение, напряжение на конденсаторе фильтра - поступают в схему управления уже отфильтрованными, т.к. элементы силовой цепи (дроссель и конденсатор) представляют собой фильтр. Тем самым отпадает надобность в АФНЧ, который является устройством с быстродействием много меньшим, чем у АЦП или вычислителя и его отсутствие способно значительно сократить общее время выполнения процедуры цифровой обработки исходных сигналов. Для того, чтобы предотвратить эффект наложения сигнала, в подразделе 2.2.4 проведены исследования по определению необходимого количества интервалов дискретизации при сохранении дискретным УУ ИСН динамических характеристик, близких к характеристикам аналогового УУ.
Устройство управления ИСН в качестве выходного сигнала должно выдавать последовательность управляющих импульсов. В этом случае необходимость в ПАП и СФНЧ отпадает, т.к. сформированный сигнал управления через согласующее устройство (драйвер) можно подавать на силовой ключ. Это также положительно скажется на общем времени цифровой обработки сигналов схемой управления.
Входной сигнал схемы управления имеет бесконечный спектр, что является препятствием для его преобразования в цифровую форму. Это связано с природой аналого-цифрового преобразования, осуществляемого в два этапа: дискретизации по времени и квантования по уровню.
Дискретизация по времени (далее - дискретизация) представляет собой процедуру взятия мгновенных значений входного сигнала x(t) через определенные промежутки (равные или неравные) времени Р. Мгновенные значения х(тЧ ) называют выборками или отсчетами, время Р - периодом дискретизации. Период дискретизации определяет частоту дискретизации
Способы реализации цифрового устройства управления
Из анализа приведенных временных диаграмм видно, что в наиболее сложных режимах при малой разнице входного и выходного напряжений для корректной работы схемы управления ИСН достаточно осуществлять 100 выборок опорного сигнала ШИМ. При этом основные характеристики переходного процесса имеют малое различие (порядка 0.3-0.7%) по сравнению с характеристиками переходного процесса при аналоговом ШИМ. При увеличении количества выборок до 250 переходный процесс не отличается от переходного процесса при аналоговом формировании опорного сигнала ШИМ.
Также стоит отметить, что при работе ИСН с высокими значениями коэффициента заполнения, добиться высокого качества переходного процесса при дискретном формировании сигнала ШИМ можно, снизив количество выборок до 50. При этом (рис. 3.5) внешний вид переходных процессов при аналоговом и дискретном ШИМ не отличается. Исходя из этого, для снижения аппаратных требований к вычислителю, рекомендуется применить неравномерное квантование опорного сигнала ШИМ [38,66].
Рассмотрим ниже способы реализации проектируемого устройства управления [35]. Аппаратная реализация устройства управления Аппаратная реализация подразумевает использование разнообразных функциональных блоков: регистров, сумматоров, шифраторов и дешифраторов, счетчиков, линий задержек, устройств памяти, умножителей, сдвигателей, логических элементов, интегральных и больших интегральных схем, программируемых логических матриц и т.п. Совокупность функциональных блоков и связей между ними определяет реализуемый алгоритм.
Из структурной схемы, приведенной на рис. 2.50 следует, что цифровое устройство, реализующее оптимальный по быстродействию закон управления должно содержать: - память исходных данных, коэффициентов и промежуточных данных; - систему ввода и вывода исходных данных и результата; - умножители, сумматоры, умножители с накоплением, сумматоры с накоплением; - генератор тактовой частоты с периодом 5 мкс при частоте преобразования 25 мкс. последовательно, за исключением экстраполяции сигнала тока конденсатора и интегрирования - они могут быть выполнены параллельно. Ответственным за последовательность выполнения всех операций является логическое устройство. Связи между всеми блоками осуществляются с помощью шин, разрядность которых соответствует разрядности ячеек памяти данных.
Достоинство аппаратной реализации состоит в очень высоком быстродействии. Это достигается применением функциональных блоков на базе ТТ-логики, распараллеливанием операций и узкой направленностью (специализацией) создаваемого устройства [67,68].
С другой стороны, аппаратная реализация, ориентированная на решение узкоспециальной задачи, подразумевает создание системы с жесткой логикой, когда любое изменение алгоритма требует изменения структуры устройства, т.е. введения дополнительных функциональных блоков, что является недостатком. Кроме того, аппаратная реализация приводит к . большому потреблению энергии и к необходимости организовывать теплоотвод. Все это вместе определяет высокую стоимость аппаратной реализации, причем проектирование, изготовление и отладка оказываются весьма трудоемкими при больших затратах [14].
Программная реализация устройства управления Программная реализация подразумевает представление алгоритма в виде программы, которую последовательно от команды к команде выполняет один или одновременно несколько независимых блоков. Программа должна быть написана на языке программирования, соответствующего конкретному операционному блоку. Для микропроцессорного комплекта или для сигнального процессора - это соответствующий язык ассемблера.
В настоящее время разработаны и все большее значение приобретают специальные весьма эффективные программы-трансляторы (компиляторы) с языков высокого уровня на язык ассемблеров. Практически для всех процессоров ЦПОС язык программирования С является одним из допустимых языков программирования. С-компиляторы процессоров ЦПОС поддерживают язык С, отвечающий стандарту ANSI [69]. Язык С++ поддерживается компиляторами процессоров ADSP-21k фирмы Analog Devices, процессорами платформы С6000 и TMS329C28x фирмы Texas Instruments, процессорами StarCore SCI 00 и некоторыми другими. Эффективность С-компиляторов по сравнению с ассемблером с точки зрения времени выполнения типовых операций ЦОС показана в [70,71] и достигает . 95-100%.
К достоинствам программной реализации относятся: - неизменная структура системы при различных алгоритмах и областях применения; - хорошая гибкость, позволяющая достаточно легко изменять алгоритмы работы системы за счет коррекции или изменения программы; - существенное ускорение, облегчение и удешевление проектирования, изготовления и отладки системы, поскольку вместо прибора разрабатывается программа.
Недостатком программной реализации является относительно низкое быстродействие по причине последовательного выполнения операций программы в одном процессоре: как бы ни увеличивали скорость выполнения команд, она будет оставаться ниже производительности соответствующего устройства, реализованного аппаратно.
