В архитектуре 5S используется событийно-управляемая выборка, синхронизированная с переменной частотой коммутации CM-COT

В архитектуре 5S используется событийно-управляемая выборка, синхронизированная с переменной частотой коммутации CM-COT. Выходное напряжение дискретизируется по переднему фронту выходного сигнала компаратора тока ведущей фазы, что запускает следующий цикл включения. Такой подход позволяет получить дискретную передаточную функцию:

Г

(

з

)

=

В

о

ты

т

(

з

)

я

р

е

ф

(

з

)

=

К

п

⋅

з

+

К

я

з

(

з

−

1

)

Г ( з )=

я

ре ф

​

( з )

В

вне​​

​

( з )

​

=

z ( z−1 )

К

п

​

⋅з+К

я

​

​

где выгоды

К

п

К

п

​

и

К

я

К

я

​

определяются рабочей точкой преобразователя и значениями его компонентов.

Анализ корневого годографа показывает, что система имеет полюса при z=0 (по причине причинности) и z=1 (интегрирующее поведение), а нули определяются коэффициентом преобразования постоянного тока. На рисунке 5 показан график корневого годографа и результирующий отклик замкнутой системы как для ступеней нагрузки, так и для опорных ступеней.

Рисунок 5: Анализ корневого локуса и реакция замкнутого цикла

Цифровой ПИ-регулятор спроектирован так, что его нуль стратегически расположен вблизи полюса выходного конденсатора для компенсации. Результаты моделирования показывают, что линейный регулятор достигает установления сигнала примерно за пять циклов переключения при малых возмущениях, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: Проверка производительности контроллера малых сигналов

Оптимальная по времени стратегия управления большим сигналом

Ключевая инновация данной работы заключается в решении проблемы генерации колебаний последовательно соединенных конденсаторов посредством оптимального по времени управления. На рисунке 7 показан переход от фундаментальной проблемы к окончательному комплексному решению.

Рисунок 7: Эволюция от задачи о колебаниях последовательного конденсатора к комплексному решению

Динамика преобразователя SCB представлена как коммутируемо-аффинная система с четырьмя различными режимами коммутации для двухфазного преобразователя. Принцип максимума Понтрягина (ПМП) применяется для поиска оптимальной последовательности режимов коммутации и их длительностей, минимизирующих общее время переходного процесса. Ключевой момент заключается в том, что ПМП позволяет стратегически ослабить строгое ограничение на неперекрытие коммутаций во время переходных процессов с большим сигналом.

Для повышения нагрузки до 10 А оптимальная последовательность коммутации была определена как [1, 3, 2, 4] с длительностью [101, 589, 629, 1045] нс. Такая последовательность позволяет преобразователю активно заряжать выходной конденсатор и катушки индуктивности, одновременно управляя напряжением на последовательно включенных конденсаторах для предотвращения нежелательных колебаний.

Реализация интегрированного управления

Интегрированный подход к управлению плавно объединяет линейные и нелинейные контроллеры с помощью интеллектуальной логики переключения режимов, как показано на рисунке 8. При обнаружении большого переходного процесса нагрузки система останавливает малосигнальный контроллер и извлекает предварительно вычисленные оптимальные последовательности переключения из таблицы поиска (LUT), хранящейся в ПЛИС.

Рисунок 8: Интегрированная блок-схема управления

Механизм передачи управления обеспечивает плавный переход между агрессивным реагированием на большой сигнал и точным регулированием на слабый сигнал. Параметр допуска ε в формуле PMP может быть скорректирован для облегчения этой передачи, что позволяет контроллеру малого сигнала возобновить работу, когда система приближается к целевому состоянию.

Экспериментальная проверка

Предложенный подход к управлению был реализован и протестирован на прототипе двухфазного SCB, как показано на рисунке 9. Аппаратная платформа демонстрирует практическую возможность реализации сложных алгоритмов управления на оборудовании ПЛИС.

Рисунок 9: Аппаратный прототип двухфазного преобразователя SCB