автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Широтно-импульсные преобразователи с микропроцессорным управлением

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Р-Г-Б

Он н

На правах рукописи

' ■■Л,:- —л

ФАМ КУАНГ ВИНЬ (Вьетнам)

УДК 621.314

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.12 - "Полупроводниковые преобразователи электроэнергии"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени_ кандидата технических наук

Киев - 1994

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре "Теоретические основы электротехники" Киевского политехнического института

Научные руководители - лауреат Государственной премии Украины, доктор технических наук, профессор Сенько В. И. • кандидат технических наук, доцент Лебеденко С.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Исаков В.Н. - кандидат технических наук, доцент Кулешов Ю.£.

Ведущая организация - Институт проблем энергосбережения HAH Украины

Защита диссертации состоится " 24 " октября 1994 г. в 15 часов на заседании Специализированного Совета К 0t8.14.05 по присуждению ученых степеней кандидата технических наук в Киевском политехническом институте (252056, г.Кие»-5<, просп. Победы 37).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института.

Автореферат разослан "21.' сентября 1994 г-

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук,' профессор

Б. Н. Кондра

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного напряжения занимают особое место в иерархии преобразовательной техники.' Их широко применяет для регулирования и стабилизации напряжения различных потребителей электрической энергии. Их непрерывное совершенствование обусловливает также перспективное применение нетрадиционных первичных источников питания. Как в автономных электронных системах вторичного электропитания, где первичным является постоянное напряжение, так и в стационарных, питающихся от промышленных сетей, используются транзисторные преобразователи постоянного напряжения в силовой части. Расширение области применения ШИП ставит перед разработчиками такие задачи как; повышение качества преобразуемой .электрической энергии, обеспечение надежного функционирования потребителя, повышение собственной надежности и уменьшение объема и массы преобразовательных устройств. Значительное место в решении этих проблем занимает формирование динамических характеристик импульсных преобразователей, так как в подавляющем большинстве случаев они представляют собой замкнутые системы автоматического управления.

Процесс формирования динамических свойств связан с ограничением в переходных режимах электрических перегрузок элементов и узлов и с возможностью организации процессов передачи потребителю электрической энергии при минимальном использовании пассивных накопителей, а поэтому и минимизации объема силовых устройств;

Решению задач оптимального управления ШП для достижения требуемых динамических свойств значительно способствует применение последних достижений электронно-вычислительной техники. Создание на основе микропроцессорных (МП) БИС устройств управления с программным управлением обеспечивает решение сложных функциональных задач контроля и управления при большом объеме обрабатываемой информации. Микропроцессорные комплексы позволяют создавать оборудование, которое по срав-

• и

нению с предыдущим поколением обладает большими надежностью и функциональными возможностями, точностью, более высокой степенью унификации, повышающей гибкость систем управления.

Одним из важнейших вопросов, возникающих при применении МП в системе управления преобразовательными устройствами является разработка математической модели, удобной в реализации. Такая модель должна содержать . простые арифметические операции, что способствует реализации программного обеспечения, часто написанного на языках низкого уровня. Несмотря на большое количество работ, посвященных этому вопросу, проблема совершенствования известных и разработка новых методов в этой области преобразовательной техники остается актуальной. Это связано с тем, что все известные методы так или иначе имеют дело с экспоненциальной функцией от матричного аргумента, которая создает большие трудности при вычислении. В прикладной математике существует класс асимптотических методов нахождения решения дифференциальных управлений в виде степенных рядов в пространстве функциональных параметров. Применение этих методов в вычислительной технике существенно ускоряет процесс вычисления и при этом дает хорошие и практически ценные результаты.

Цель диссертационной работы - развитие теории оптимального управления и разработка новой методики и алгоритма выбора оптимальной по быстродействию коррекции для преобразователей постоянного напряжения', реализующих принцип НИМ; программная реализация разработанного алгоритма? проектирование цифровой системы управления, реализующей оптимальное управление преобразователем с НИМ.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Разработка математической модели импульсной части преобразователя с ШИМ;

2. Разработка методики расчета статических и динамических характеристик преобразователя с ШИМ с применением метода функциональных параметров;

3. Построение алгоритма определения параметров оптимального управления в пространстве малого времени.

4. Разработка принципов и методики проектирования преобразователей с ШИМ, новых способов управления такими преобразователями;

5. Разработка аппаратурной части и программного обеспечения 'системы управления на микроэвм.

Автор задишает:

1. Математическая модель ШИП, построенная с помощью метода пространства малого времени.

2. Алгоритм определения параметров оптимального управления преобразователя с помощью метода пространства малого времени.

3. Система управления преобразователя на микроЭВМ МК51 с применением полученных аналитических результатов.

Методы исследования: При решении перечисленных задач были использованы методы переменных состояния , функциональных параметров, линеаризации разностных уравнений, оптимального управления по принципу максимума Понтрягина, итерации Ньютона в решении системы нелинейных уравнений и математического аппарата теории матриц; численные расчеты, графические построения и моделирование проводились на персональной ЭВМ 1ВМ РС АТ.

Научная новизна:

1. Разработана методика и проведен анализ как статических так и динамических характеристик преобразователя напряжения с ШИМ с использованием метода функциональных параметров;

2. Разработан алгоритм оптимального управления в пространстве малого времени-для преобразователя с ШИМ;

3. Предложен алгоритм определения параметров оптимального управления с использованием простых математических операций, что позволяет реализовать его с помощью простых и доступных аппаратных средств.

Практическая ценность: Проведенные в работе исследования позволили разработать и создать микропроцессорный стенд управления преобразователем постоянного напряжения для

качественной оценки предложенного алгоритма управления с минимизацией времени переходного процесса.

Реализация результатов работы а промышленности: Теоретические и практические результаты, полученные в работе, используется в учебных курсах КПИ при подготовке специалистов по электроприводу и электрическим машинам.

Апробация работы:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции "Силовая электроника в решении проблемы ресурсо- и энергосбережения", Алушта, октябрь 1993г., а также на научном семинаре НАН Украины "Научные основы электроэнергетики"

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 133 страницах текста, иллюстрированного 35 рисунками и 6 таблицами, списка литературы из 135 наименований и 7 приложений на 77 страницах.

Во введении обоснованы актуальность темы и сформулированы цели исследований, перечислены основные научные результаты работы, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор схем преобразователей, постоянного напряжения, использующих принцип широтно-импульсной модуляции, рассмотрены особенности методов анализа и методов оптимального управления, а также проведено обоснование разработки методики анализа динамики преобразователей с ШИМ.

.Во второй главе рассмотрены особенности метода пространства малого времени в решении системы дифференциальных уравнений. С помощью этого метода была получена математическая модель преобразователя • понижающего типа в виде нелинейного разностного уравнения. Дальнейшее исследование этого уравнения позволило определить параметры установившегося режима работы преобразователя, а также исследовать его устойчивость в малом. .л

В третьей главе рассмотрено применение принципа максимума Понтрягина для нахождения оптимального управления преобразователя в переходном процессе. С помощью метода про-

странства малого времени был разработан алгоритм определения оптимального управления. Полученные результаты были сопоставлены с результатами моделирования на ЭВМ с использованием пакета PSpi.ce.

Четвертая глава посвящена рассмотрение особенностей проектирование системы управления преобразователя на микроэвм и системе поддержки разработок. Была предложена схема системы управления на МК31 и программное обеспечение для нее. Рассмотрена возможность.реализации режима управления в реальном масштабе времени с применением быстродействующего МП.

В Приложениях приведены программы расчета ШИП на входных языках пакетов Ма№САБ, PSpi.ce, на языке Паскаль и программа для микроэвм на ассемблере.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертационной работе проведено исследование широтно-импульсного преобразователя (ШИП) постоянного напряжения,

Рис.1.

ЩИМ - пшротно-импульсный модулятор; РЭ" - регулирующий элемент (транзисторный ключ); НЛЧ - непрерывно линейная часть; ОС - обратная связь; У - усилитель сигнала ошибки.

В работе дан обзор схем силовой части ШИП и сделан вывод о том, что их анализ можно свести к трем элементарным, электрическим схемам: понижающего, повышающего и инвертирующего типа. Процессы в этих схемах носят сходный характер, поэтому в работе анализировалась схема понижающего типа как наиболее используемая. . ' ■

2-4-457 <<

В соответствии с электромагнитными процессами, протекающими в ШИП, эквивалентные схемы его силовой части для каждого интервала постоянства структуры показаны на рис.2, и м им

" б) в) Рис.2.

Соответственно математические модели, описывающие процессы в каждой из этих схем на интервалах постоянства структуры, имеют вид:

^i-AX(f) +Bu(f)

(1)

выхода y(t) с

7(/) = <ГХ(Г)

где Xít) - матрица переменных состояния;

А .- системная матрица;

В и сР - 4 матрицы связи входа и (t) и переменными состояния;

u(í) = 2U,t', U;_- постоянные коэффициенты.

Причём для каждого интервала постоянства структуры матрица А может иметь свой вид и размерность.

Для решения этого уравнения в работе использован метод функциональных параметров, известный в теории обыкновенных дифференциальных уравнений как метод пространства малого времени (ПМВ). Переход в J1MB выполняется путем замены переменной t на

t = 1 — е'4' 12)

где q - произвольное положительное число- и

Тогда, уравнение (1) преобразуется в следующий вид:

у(1-т)^^ = АХ(т) + Ви(т), (3)

где и(т) = 5;и/+11'.

Решение последнего имеет вид:

Х(т)=£с,т' (4)

где

С, + ¿1, Е - единичная

матрица.

Таким образом, для каждого интервала постоянства структуры (рис.2) имеем: ■ ■

- для случая рис.2а:

Х(т) = Хш+^Хй.+ ^]т (5)

где Хщ - значение переменных состояния в начале интервала постоянства структуры;

А^ - системная матрица на рассматриваемом интервале;

Т - текущая переменная в ПМВ на этом же интерйале;

где и„„ - напряжение питания;

I/" - значение входного задающего напряжения в начале интервала.

- для случая рис.2б:

(6)

где и0т = j'> 9 - текущая переменная в ПМВ и А2 - системная матрица на рассматриваемом интервале; - для случая рис.2в:

(О

где е - текущая переменная в ПМВ и А3 - системная матрица на рассматриваемом интервале.

Время, на которое напряжение питания подключается к линейной части преобразователя, определяется из выражения :

'ь=кЛСГ:-кЛгХт) (8)

где кя - коэффициент пропорциональности; к„ - коэффициент обратной связи.

Результаты моделирования процессов в ШИП на ЭВМ по полученной математической модели показаны на. рис.3 для различных значений входного задающего напряжения.

Рис. 3

В установившемся режиме с непрерывным током силовогс дросселя для переменных состояния в тактовые момент! справедливо следующее соотношение:

где Т| - длительность импульса напряжения питания в ПМВ; 8, - длительность паузы в ПМВ. При этом принимается допущение о постоянстве матрицы А на обоих интервалах.

С помощью полученной математической модели ШИП в работе проведено исследование устойчивости в "малом" системы, представленной .на рис.1. Устойчивость в "малом" определяется с помощью Матрицы :

Ч* = Е + АГ + АгЯг + А'Ткл иу„ ~ А'т,'^. + 2А\кл цгсг Кл + АВ<У итТ к, - ABQГZ7„„т^ ^

где кА = - к пТкгкос-, . кг - коэффициент усиления; Т -период работы ШИП; иуст - установившееся значение выходного напряжения.

На рис.4 проведены результаты исследования устойчивости в "малом" замкнутой системы (рис.1), где Ку - предельный коэффициент усиления в контуре управления и каждая кривая соответствует определенному набору параметров силовой части. Было отмечено, что увеличение нагрузки, индуктивности и ёмкости приводит к увеличению предельного коэффициента усиления.

Для определения коэффициента стабилизации напряжения в работе получено выражение:

О(М) = ^<2г[ехр(/оЛЕ - ¥]~1(Е + АЙ^Вт, цц

^ выт

В переходном процессе согласно принципа максимума, в случае линейной части второго порядка, для достижения оптимального управления необходимо иметь два переключения с максимально возможного уровня на минимально возможный. Применительно к системам с НИМ это означает, что при. возникновений перерегулирования необходимо сначала на время /[ подключить источник питания, а затем* на время отключить его, после чего, в момент времени Г = +/г, перейти в режим НИМ.

а

Рис.4

В работе получено следующее уравнение для определения В ГОШ:

ЗЛ4 М + РзТЛ +Р<т|т2 + р,т,т] -нр^М +Рлт| + Р,тЬг = } (12)

где Р^ - матрица-столбец, определяемая параметрами силовой части. ?■

Характер оптимального переходного процесса показан на рис.5а, где сплошной линией показан процесс, определяемый по (12) с числом учитываемых членов ряда решения (4) п=3, а штриховой соответствует п=б. .

Рис.5

На рис.56 показан график фазовой плоскости с линиями

переключения ( знак /+/ - процесс при включенном питании;

знак /-/ - при отключенном питании), хоторые соответствуют

оптимальному управлению ШИП (линия 1 - п=3, 2 - п=6).

Достоинством этого подхода является то, что уравнение

(12-) не содержит трансцендентные функции и его решение

удобно реализовать на микроэвм. На этом основании предложена

следующая схема ЩИП с.микропроцессорным управлением (рис.6):

|и

АЦП МП ФИУ Ключ H(s)

ос

Рис.6

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МП - микропроцессор; ФИУ - формирователь импульсов управления; H(s) - передаточная функция силовой части; ОС - цепь обратной связи

Схема работает следующим образом: в переходном процессе МП определяет значение для оптимального управления ШИП и выдает соответствующие сигналы управления транзистором. В установившемся режиме МП осуществляется функции обычного ИШМ. Следует отметить, что для достижения цели управления в реальном времени . надо использовать соответствующие современные быстродействующие процессоры, например TMS 320.

Процессы в ШИП были моделированы на ЭВМ с помощью пакета PSpice и результаты подтверждают аналитические данные, полученные с помощью метода функциональных параметров.

Система управления с микроэвм была пробована на макете в лабораторных условиях и результаты ещё раз подтверждают эффективность предложенного способа управления ШИП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ •1. Проведенные исследования показали целесообразность разработки схем, методик,, алгоритмов и программ расчета схем ШИП с минимальным временем переходного процесса.

и

2. Использование метода функциональных параметров для решения системы дифференциальных уравнений описывающих электромагнитные процессы в силовой части ШИП, позволило разработать новые методики расчета статических, динамических характеристик ШИП и расчета оптимальной по быстродействию коррекции.

3. Разработанная методика реализована .на языке низкого уровня для однокристальных микро-ЭВМ, благодаря чему удалось построить микропроцессорную систему управления ШИП.

4. Разработанная методика расчета оптимальной коррекции позволяет достичь упрощения схемной реализации системы управления ШИП по сравнению с аналогичными схемами.

5. Разработанный алгоритм ' формирования длительности переходного процесса с переменной структурой силовой части позволяет значительно ускорить переходный процесс в ШИП.

6. На основе предложенных методик создан комплекс программ для исследования ШИП,, работающих в различных режимах, обладающих.высокой эффективностью и надежностью.

Всего по теме диссертации опубликовано 4 работ: X. Сенько В.И., Лебеденко С.А., Фам-Куанг-Винь. Новый способ коррекции переходного процесса в широтно-'импульсных преобразователях/ Тез.' докл. Междунар. науч.-техн. конф. "Силовая электроника в решении проблемы ресурсо- и энергосбережения", Алушта, октябрь 1993г., ХПИ -Харьков, 1993 -с.252-256.

2. Новый алгоритм широтно-импульсной модуляции выходного напряжения трехфазного автономного инвертора с нейтральной точкой /Сенько В. И., Лебеденко С.А., Калиниченко А. П., Фан Куок Зунг, Фам Куанг Винь. Техн. электродинамика.-1994.- № 1.

3. Новые алгоритмы трехуровневой широтно-импульсной модуляции и их комбинированное применение в трехфазных инверторах с нейтральной точкой / Сенько В. И., Лебеденко С.А., Калиниченко А. П, Фан Куок Зунг, Фам Куанг Винь. Техн. электродинамика.- 1994.- К 2.

4. О выборе нулевого обобщенного вектора напряжения для алгоритма 1ИМ в трехфазном инверторе с нейтральной точкой /В.И. Сенько, С.А. Лебеденко, А.П. Калиниченко, Фан Куок Зунг, Фам Куанг Винь, Сами Шаабане. - К.: Киев, политехи, ин-т. Рук. деп. в ГНТБ Украины, №1362 - Ук1994, с.14

'Личный вклад автора в работах опубликованных в соавторстве состоит в следующем: [1] - Автором предложен способ оп-.ределения параметров оптимального управления по принципу максимума с помощью метода функциональных параметров и схема реализации систем управления с микропроцессором,* [2-4] - автором проведен расчет сравнительных характеристик алгоритмов ШИМ на ЭВМ.

АННОТАЦИЯ

Фам Куанг Винь. Широтно-импульсные преобразователи с микропроцессорным управлением.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи электроэнергии. Киевский политехи, ин-т., Киев, 1994.

Защищается 5 научных работ, которые содержат разработки и исследования широтно-импульсных преобразователей постоянного напряжения с помощью метода функциональных параметров, а также результаты экспериментальных исследований. Установлено, что математические модели, построенные с помощью метода функциональных параметров, значительно упрощают расчет характеристик преобразователей и способствует реализации микропроцессорной системы управления. Осуществлено внедрение результатов работы в учебный процесс кафедры ТОЭ КПИ и развитие энергетики Вьетнама

ANNOTATION

Pham Quang Vinh. Microprocessor Control Pulse-Width Modulation Converters.

■A dissertation submitted in candidacy £or the degree of Doctor of Philosophy in specialty 05.09.12 - Semiconductive converters of electrical energy, Kiev Polytechnic Institute, Kiev, 1994.

There are submitted 4 scientific papers, which contain elaboration and research of DC-DC pulse-width modulation converters by means of the functional parameter method, and results of experiments. It was made the conclusion about that mathematical models, built with the functional parameter method, simplify considerably the calculation of converter characteristics and enable a microprocessor control system. Results of this dissertation are used in the . teaching process at the chair of electrical engineering at KPI and power engineering of Vietnam.

RnrwoBi слова:

широтно-1мпульсний перетворювач, управлишя, математична модель, Mixponpouecop.