Введение к работе
Актуальность работы. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН) находят широкое применение в устройствах электропитания современной электронной аппаратуры. По сравнению с непрерывными стабилизаторами они обладают значительно более высоким КПД при лучших массогабаритных показателях. В настоящее время отмечается устойчивый рост спроса на импульсные источники питания, ужесточаются требования к их статическим и динамическим характеристикам, что требует развития методов анализа и синтеза преобразователей, позволяющих в сжатые сроки получать устройства с высокими качественными показателями.
С точки зрения теории автоматического регулирования ИСН представляют нелинейную импульсную систему, что значительно затрудняет их анализ. В связи с быстрым развитием вычислительной техники актуальными становятся методы анализа и синтеза ИСН, ориентированные на применение ЭВМ. Мощные программные комплексы аналого-цифрового моделирования электронных схем с богатым набором библиотек элементов и удобным пользовательским интерфейсом (Design Center, Місго-САР) позволяют повысить качество проектирования источников питания, исключив операции макетирования, однако моделирование процессов в ИСН при помощи данных программ требует относительно больших затрат машинного времени. Расчет переходных процессов, исследование динамических и статических характеристик, построение графиков частотных характеристик удобно выполнять при помощи специализированных программных комплексов для выполнения математических расчетов (Matlab, Mathcad), что требует развития машинно-ориентированных методик расчета ИСН. Вместе с тем многие известные методики исследования ИСН получены либо для некоторых частных случаев работы ИСН, либо не удобны для реализации на ЭВМ.
Широко используемым на практике в настоящее время аналоговым системам управления ИСН присущ ряд недостатков, в числе которых можно отметить недостаточную гибкость в управлении, трудность реализации сложных алгоритмов управления, невысокую помехоустойчивость и ограниченную точность, определяемую недостатками, присущими аналоговым приборам (наличие токов утечки, напряжений смещения нуля, температурная нестабильность параметров и т.д.). Поэтому с целью качественного улучшения параметров импульсных стабилизаторов напряжения целесообразно развивать новые подходы к проектированию систем управления ИСН, для выработки которых необходимо учитывать общие тенденции в развитии систем автоматического управления (САУ).
Последние 20-25 лет наблюдается быстрое развитие и внедрение в производство цифровых систем автоматического управления, появляется большое количество посвященной им литературы. Эти системы позволяют наиболее эффек-
тивно решать сложные задачи оптимального управления разными объектами и группами объектов различной физической природы, практически реализовать режимы адаптации и самонастройки, резко повысить надежность и помехозащищенность систем управления. Возможность реализации сложных алгоритмов управления, приближающихся к оптимальным, позволяет существенно улучшить качество САУ.
Несмотря на перечисленные достоинства, цифровые системы управления пока не нашли применения в импульсных стабилизаторах напряжения, что может быть объяснено сравнительно высокими рабочими частотами ИСН и, соответственно, малым временем, отводимым на обработку сигнала.
Целью работы является: разработка универсальных машинно-ориентированных методик исследования статических и динамических характеристик ИСН с произвольной структурой силовой части, функционирующих в режимах прерывистого и непрерывного токов дросселя фильтра; разработка методики синтеза систем управления ИСН на основе квадратичного критерия качества; исследование и разработка систем управления импульсными стабилизаторами напряжения, построенных на базе современных интегрирующих преобразователей напряжение-частота, что позволяет достаточно просто реализовать цифровые системы управления ИСН.
Теоретические основы развиваемых автором методик анализа и синтеза ИСН заложены в трудах Г.А.Белова, И.Е.Коротеева, В.И.Мелешина, А.Д.Поздеева, Ю.В.Руденко, Л.Б.Соболева, О.Н.Соломахи.
Научная новизна
-
Получена универсальная математическая модель линеаризованной модели ИСН с широтно-импульсной модуляцией второго рода (ШИМ-П), которая может быть использована для анализа систем как с постоянной, так и переменной структурами силовой части в режимах прерывистого и непрерывного токов дросселя, что позволяет достаточно просто решать вопросы устойчивости и линейного синтеза ИСН. Отличительной особенностью методики является использование аппарата дельта-функций на этапе линеаризации системы, что упрощает вывод расчетных соотношений.
-
Предложена методика расчета коэффициентов стабилизации и сглаживания пульсаций входного напряжения, не требующая применения аппарата Z-преобразования и перехода к псевдочастоте, что упрощает проведение расчетов на ЭВМ.
-
На основе полученных в работе линейной и нелинейной моделей оптимальной системы управления, минимизирующей среднеквадратическую ошибку регулирования, разработана методика синтеза оптимальных систем управления ИСН; получено выражение, позволяющее в начальном приближении найти
параметры системы управления, обеспечивающие переходные процессы, близкие к оптимальным, что сокращает вычислительные затраты при синтезе ИСН.
-
Разработана цифровая система управления ИСН на основе АЦП интегрирующего типа, позволяющая при достаточно простой схемотехнике, получить улучшенные по сравнению с системами асинхронного типа динамические характеристики.
-
Предложена пропорционально-интегральная система управления ИСН, ориентированная на применение микросхем прецизионных преобразователей напряжение-частота, что позволяет при достаточно простой схемотехнике повысить стабильность выходного напряжения.
Практическая ценность работы
-
Разработанные программы расчета статических и динамических характеристик позволяют исследовать ИСН с произвольной структурой силовой части и могут быть использованы при оптимальном проектировании ИСН.
-
Разработанная методика синтеза оптимальных систем управления ИСН на основе квадратичного критерия качества позволяет сократить вычислительные затраты при оптимальном синтезе ИСН.
-
Разработанный преобразователь напряжение-частота обеспечивает широкий диапазон изменения выходной частоты при изменении задающего напряжения и содержит входы управления, что облегчает его сопряжение с цифровыми схемами.
-
Полученные математические модели астатической системы управления ИСН могут быть также использованы для исследования динамических характеристик систем с асинхронной интегральной ШИМ.
-
Предложенные системы управления, содержащие прецизионный преобразователь напряжение-частота в цепи обратной связи, позволяют при достаточно простой схемотехнике получить высокие статические и динамические характеристики ИСН.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Специализированные алгоритмы и программы расчета статических и динамических характеристик ИСН с постоянной и переменной структурами силовой части в режимах прерывистого и непрерывного токов дросселя.
-
Методика синтеза оптимальных систем управления ИСН на основе квадратичного критерия качества, позволяющая сократить вычислительные затраты при оптимальном синтезе ИСН.
-
Схема и алгоритм функционирования цифровой астатической системы управления ИСН, обеспечивающей улучшенные динамические характеристики по сравнению с асинхронными системами.
-
Схемотехнические решения пропорционально-интегральной системы управления ИСН.
Реализация результатов работы. В основу диссертации легли исследования, выполнявшиеся автором по госбюджетным темам: «Разработка методов исследования динамики нелинейных дискретных систем силовой электроники», «Проблемы управления современными высокоэффективными полупроводниковыми преобразователями электроэнергии», «Исследование цифровых систем управления высокочастотными преобразователями электроэнергии», финансируемым Минобразованием РФ. Автор удостоен государственной научной стипендии для молодых ученых, присуждаемой РАН.
Теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, нашли отражение в устройстве электропитания ткацкого станка с микропроцессорным управлением СТБУ 2-330 АО «Текстильмаш», в разработке электронной части которого принимал участие автор, что подтверждается актом внедрения.
Методики расчета оптимальных систем управления ИСН используются в научно-производственном предприятии «Динамика» при разработке нового поколения импульсных транзисторных регуляторов CAMP 41.V.4, что подтверждается актом внедрения.
Теоретические положения работы используются в учебном процессе на кафедре промышленной электроники Чувашского университета при выполнении дипломного и курсового проектирования студентами старших курсов, а также при чтении лекций по дисциплине «Системы управления полупроводниковыми преобразователями».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 1995, 1997), «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 1996) и «Цифровая обработка многомерных сигналов» (Йошкар-Ола, 1996), на юбилейной итоговой научно-технической конференции ЧГУ (Чебоксары, 1997), на ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» (Москва, 1998).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования, 3 приложений, 33 рисунков. Общий объем работы в 130 стр. включает: текст диссертации - 96 стр., список литературы - 9 стр. и приложения - 18 стр.
