Cyfrowe sterowanie przekształtników impulsowych lato 2012/13

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Cyfrowe sterowanie przekształtników impulsowych lato 2012/13"

Karolina Góra
6 lat temu
Przeglądów:

1 Cyfrowe sterowanie przekształtników impulsowych lato 2012/13 dr inż. Łukasz Starzak Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych ul. Wólczańska 221/223 bud. B18 pok

2 Plan wykładu 1. Ogólny wstęp do układów automatycznej regulacji w zastosowaniu do impulsowych przekształtników elektronicznych 2. Wprowadzenie do mieszanych i cyfrowych układów sterowania impulsowych przekształtników elektronicznych 3. Mieszane (analogowo-cyfrowe) układy sterowania 4. Dedykowane mikrokontrolery standardowe (MCU) i sygnałowe (DSC) zasoby sprzętowe i programowe 5. Cyfrowa realizacja sprzężenia zwrotnego a) transmitancja dyskretna b) regulatory cyfrowe, ich obliczanie, implementacja programowa i strojenie c) wpływ parametrów układu CPS na charakterystyki częstotliwościowe i stabilność 2

3 Sprzężenia zwrotne w przekształtnikach elektronicznych Przyczyny stosowania Realizacja w układach impulsowych idee konieczność uzyskania konkretnej wartości lub kształtu wielkości wyjściowej zmienność warunków pracy zmienność zadań rozrzut parametrów elementów, zasilania i obciążenia modulacja współczynnika wypełnienia impulsów (PWM) modulacja częstotliwości impulsów (PFM) złożone metody modulacji Realizacja w układach impulsowych układy analogowa cyfrowa na różnych poziomach funkcje nadzoru i sterowania nadrzędnego modulator współczynnika wypełnienia pełna pętla sprzężenia zwrotnego (w tym wzmacniacz błędu i korektor) 4

4 Zastosowania sterowania w przekształtnikach impulsowych ze zmianą współczynnika wypełnienia Przetwornice prądu stałego (DC-DC) Falowniki (DC-AC) regulacja (utrzymanie wartości) stałego napięcia wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t) podążało za (zwykle stałym) sygnałem odniesienia vref(t) regulacja przemiennego napięcia (rzadziej prądu) wyjściowego utrzymanie częstotliwości i wartości skutecznej oraz (z różną dokładnością) kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t) podążało za (zawsze przemiennym) sygnałem odniesienia vref(t) Prostowniki (AC-DC) regulacja stałego napięcia wyjściowego regulacja przemiennego prądu wejściowego co do kształtu sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby napięcie wyjściowe v(t) podążało za sygnałem odniesienia vref(t), zaś prąd wejściowy ig(t) podążał za sygnałem odniesienia ic(t) prąd odnosi się (najczęściej) do wartości średniej lub szczytowej 5

5 Niektóre przypadki szczególne Przetwornice sterujące lampami elektroluminescencyjnymi (LED) regulacja (utrzymanie wartości) stałego prądu wyjściowego sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby prąd wyjściowy i(t) podążał za sygnałem odniesienia iref(t) natężenie promieniowania zależy wprost od natężenia prądu Przetwornice pracujące jako aktywne obciążenie modułów słonecznych (PVM) regulacja (dostosowanie) mocy czynnej wejściowej sterowanie współczynnikiem wypełnienia d(t) tak, aby moc wejściowa Pg=Vg Ig była maksymalna w bieżących warunkach nasłonecznienia wartości Vg i Ig łączy funkcja nieliniowa o przebiegu zmiennym w funkcji natężenia oświetlenia 6

6 Sterowanie impulsowych przetwornic prądu stałego Utrzymanie stałego napięcia wyjściowego niezależnie od zmian zasilania i obciążenia nawet w przypadku zasilaczy o zmiennym wyjściu, zmiana zadania raz na dłuższy czas Działanie w stanach przejściowych np. załączenie zasilania, skokowa zmiana obciążenia zapewnienie stabilności, tj. osiągnięcia stanu ustalonego w ciągu określonego czasu i w określony sposób konieczność odwołania do teorii sterowania (dziedzina automatyki) wejście mocy (zasilanie) odbiornik (obciążenie) przetwornica impulsowa pomiar wyjścia wejście sterowania sterownik bramki kompensator modulator wypełnienia napięcie odniesienia sterownik 7

7 Transmitancje przetwornicy odwracającej sterowanej napięciowo Wyprowadzony model obwodowy dla składowej przemiennej Transmitancje pozwalają obliczyć zmianę wyjścia dla danych zmian wejść v s =G vd s d s G vg s v g s Przy czym G vg (s )= v (s) v g (s) d =0 G vd (s )= v (s) d (s) v g =0 8

8 Transmitancje przetwornicy odwracającej sterowanej napięciowo (2) Wyjście v do wejścia mocy vg G vg (s )=G g0 D G g0 = D 1 s s Q ω0 ω2 0 D ω 0= LC Q =D R C L Wyjście v do wejścia sterowania d 1 G vd (s )=G d0 V G d0= D D s ωz s s Q ω0 ω2 0 D R ω z= (RHP) DL D ω 0= LC Q =D R C L 9

9 Transmitancje przetwornicy odwracającej sterowanej napięciowo (3) 10

10 Przetwornica z ujemnym sprzężeniem zwrotnym Kompensator Wejście odniesienia Sygnał błędu Modulator Gm(s) Obwód mocy przekształtnika Czujnik napięcia v s =G vd s d s G vg s v g s Z out s i load s d s =v ref s G c s G m s v s H s 1 G c s G m s 11

11 Transmitancje układu zamkniętego v = v ref G c G m G vd 1 H G c G m G vd v g G vg 1 H G c G m G vd i load Z out 1 H G c G m G vd = G vg Z out 1 T = v ref v g i load H 1 T 1 T 1 T gdzie T =H G c G m G vd wzmocnienie pętli otwartej Zmodyfikowana transmitancja względem wejścia mocy v G vg s = v G vg s s = v ref =0 1 T s s g i load=0 ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza transmitancję (1+T) razy wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe ulega zmniejszeniu tym silniejszemu, im większe wzmocnienie pętli 12

12 Przykładowe wzmocnienie pętli otwartej częstotliwość odcięcia f c : T f c =1 0 db 13

13 Logarytmiczne kryterium stabilności Nyquista Jeżeli transmitancja układu otwartego T(ω) nie posiada biegunów w prawej półpłaszczyźnie zmiennej zespolonej s oraz jeżeli występuje tylko jedna częstotliwość odcięcia fc, to wyrażenie 1/(1+T) nie posiada biegunów w prawej półpłaszczyźnie, jeżeli zapas fazy φm układu otwartego jest dodatni φ m =Arg {T ω c } π = =Arg {T ω c } π 14

14 Kompensator PID (z odwróconym zerem) G c (s)=g cm ( )( ) s 1+ ωz ωl s s ωp 15

15 Transmitancja względem wejścia mocy układu otwartego i zamkniętego z kompensatorem 16

16 Przetwornica obniżająca z analogowym układem automatycznej regulacji napięcia bufor dzielnika wzmacniacz odejmujący sterownik bramki ogranicznik współczynnika wypełnienia bufor odwracający kompensator 17

17 Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników Zmniejszenie liczby elementów i wymiarów układu Sterowanie przekształtnikami o dowolnej topologii i metodzie sterowania obwody sterowania, zabezpieczeń, pomiaru, kompensacji pętli sprzężenia zwrotnego, sterowania chłodzeniem itd. zintegrowane w jednym układzie scalonym scalone sterowniki analogowe są przeznaczone do 1 3 topologii i stosują 1 2 metody sterowania produkowane są tylko dla najbardziej popularnych, co z kolei wpływa na ich popularność zmiana metody sterowania nie pociąga za sobą konieczności zmiany układu elektronicznego (topografii płytki, elementów) Ten sam układ drukowany dla przekształtników o różnych parametrach zmianie ulega wyłącznie program w zakresie parametrów konfiguracyjnych obniżenie kosztów produkcji przez zwiększenie liczby egzemplarzy a zmniejszenie liczby wariantów tańszy również serwis i doskonalenie 18

18 Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników (2) Zwiększenie sprawności energetycznej, zmniejszenie poboru mocy Możliwość realizacji pomiarów pośrednich dostosowanie układu do zmiennego obciążenia zmiana częstotliwości przełączania, zmiana zasady sterowania, wyłączenie bloków czasowo zbędnych (np. wentylatora) łatwa realizacja stanu czuwania potrzebna jest tylko energia do zasilenia wybranych bloków mikroprocesora niektóre wielkości fizyczne można obliczyć na podstawie innych, np. moment obrotowy realizacja sprzężeń zwrotnych od momentu, mocy itp. dodatkowa wiedza o stanie układu Poprawa jakości sterowania, w tym zwiększenie szybkości odpowiedzi sprzężenie w przód 19

19 Sprzężenie w przód (feedforward) Tradycyjny sterownik ze sprzężeniem zwrotnym najbardziej ogólny PID zsumowane sygnały: proporcjonalny do błędu, całka z błędu i pochodna błędu określają współczynnik wypełnienia wymaga znajomości błędu, tj. różnicy między uzyskanym a zadanym napięciem wyjściowym wymaga znajomości historii Idea sprzężenia w przód równolegle do sterownika PID, współczynnik wypełnienia wyliczany jest ze wzorów analitycznych wzory te mogą łączyć np. pożądane napięcie wyjściowe, moc wejściową napięcie wejściowe, obciążenie wartości elementów przekształtnika charakter wzorów teoretyczne lub empiryczne idealne lub rzeczywiste oparte na teraźniejszości i przyszłości 20

20 Zyski ze sprzężenia w przód Układy cyfrowe pozwalają w prosty sposób zrealizować sprzężenie w przód Pożądany sygnał wyjściowy może być obliczony zanim jeszcze zmiana w układzie przełoży się na napięcie wyjściowe nie tylko zmiany napięcia wejściowego np. sygnał mówiący o uśpieniu i wybudzeniu zasilanego podzespołu Ograniczenie praktycznie niemożliwe w układach analogowych wzory analityczne dają sygnał sterujący poprawny na układu idealizowanego dokładne ustalenie odpowiedniego sygnału sterującego możliwe jest wyłącznie poprzez sprzężenie zwrotne Sprzężenie w przód jest z natury stabilne Łatwo zrealizować wielokrotne sprzężenia napięcie wyjściowe, prąd wejściowy, moc wejściowa itp. tradycyjny podział na sprzężenia napięciowe i prądowe nie ma zastosowania 21

Podobne dokumenty

Część 5. Mieszane analogowo-cyfrowe układy sterowania

Część 5. Mieszane analogowo-cyfrowe układy sterowania Część 5 Mieszane analogowo-cyfrowe układy sterowania Korzyści z cyfrowego sterowania przekształtników Zmniejszenie liczby elementów i wymiarów układu obwody sterowania, zabezpieczeń, pomiaru, kompensacji