Особенности использования ШИМ-микроконтроллеров, АЦП, ИОН при управлении стабилизаторами напряжения

Texto integral

Обоснование. Качество работы аналого-цифровой аппаратуры в значительной степени зависит от надежности и устойчивости источника питания. Согласно множеству литературы, стабилизаторы напряжения в этом вопросе занимают отдельную тему для изучения [1–3]. Согласно классификации [4] импульсные стабилизаторы относят к регулируемым преобразователям, выходные параметры изменяются в соответствии с управляющим воздействием. В настоящее время использование микропроцессоров в области разработки систем управления в источниках питания выступает в качестве наиболее оптимального решения [2], среди достоинств отмечают компактность, возможность параллельно реализовать активные и пассивные элементы, множество опций для оригинальной регулировки исходя из особенностей применения.

Цель — исследование импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) на базе ШИМ-микроконтроллера на устойчивость выходных параметров.

Методы. Метод широтно-импульсной модуляции нашел широкое применение в управлении импульсными регуляторами напряжения [2]. При эксплуатации ИСН с ШИМ нарушается устойчивость и характер колебаний вследствие изменений некоторых параметров (входное напряжение, сопротивление) [5]. Сопротивление изменениям осуществляется применением различных схем коррекции. Для регуляторов с ШИМ особенно важно наличие источника опорного напряжения (ИОН), позволяющего получить сигнал разности с последующим его преобразованием в импульсы. При этом такое устройство на основе логических элементов и использования аналого-цифрового преобразователя, кроме формирования импульсов, имеет ключевую особенность возможности регулировки постоянной составляющей управляющих сигналов [6]. Преобразователь при этом характеризуется высокой точностью стабилизации, способностью отличать несколько значений входного сигнала и широким диапазоном рабочих напряжений.

Далее рассматривается анализ. В расчетах статических и переходных режимов для ИСН нашел применение метод усреднения с этапом линеаризации параметров [7]. Это дает возможность представить импульсную систему в виде линейной, первоначально аппроксимировав ее непрерывной нелинейной системой [1]. После замены эквивалентными схемами выводится передаточная функция (1) преобразованной системы регулятора [6], по параметрам которой действительно провести анализ устойчивости.

$W\left(n\right)=\frac{K\left(1-{\tau }_{З}n\right)}{T_{\Phi }^2{n}^2+2\zeta T_{\Phi }n+1}.$ (1)

Результаты. Исследование преобразователя напряжения проведено в среде MathCad, анализ производился согласно критериям Найквиста, по которым оценивается устойчивость и ее запас по модулю и фазе [8]. По выраженной передаточной функции (1) получены амплитудно- и фазо-частотные характеристики (рис. 1). Для понимания полученных данных, по логарифмическому частотному критерию, состояние устойчивой работы возможно, когда фазовая характеристика находится выше значения π = 180° на всем протяжении, где амплитудная характеристика при этом положительна, т. е. до частоты среза (f_ср). Запас устойчивости оценивается по разнице фазового угла φ(f_ср) от значения –π = 180° на графике ФЧХ.

Выводы. При помощи представленного метода реально оценить важный критерий импульсного источника питания — его устойчивость. Согласно графику ФЧХ на рис. 1 исследуемого ИСН, угол γ_с = H° на частоте f_ср имеет значение:

$\phi =\frac{180}{\pi }\arg \left(W\left(n\right)\right)={140}^{\circ },$

т. е. стабилизатор устойчив, запас устойчивости по фазе: γ_с = H° = 40°.

Реализация импульсного источника на интегральных микросхемах обеспечивает высокую степень интеграции в современные электросистемы, имея малые размеры ввиду отсутствия механических элементов, высокий КПД порядка 90 % [3], кроме использования в схемах с сигналами низкого уровня (<100 мкВ), т. к. переходные процессы создают сопоставимый уровень пульсаций на выходах регулятора.

Рис. 1. Характеристики анализируемого регулятора: сверху — АЧХ; снизу — ФЧХ

Sobre autores

Autor responsável pela correspondência
Email: dani2092000@gmail.com

студент, группа РТм-21

Bibliografia

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares

Ação

1. JATS XML

Baixar

2. Рис. 1. Характеристики анализируемого регулятора: сверху — АЧХ; снизу — ФЧХ

Baixar (430KB)

Metadados