CC BY
43
УДК 621.314
Д. В. Капупин
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ С ИНТЕГРАТОРОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ1
Рассмотрена работа импульсных стабилизаторов напряжения понижающего и повышающего типов с интегратором сигнала рассогласования в цепи обратной связи по напряжению. Проведены исследования по определению диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования в зависимости от различных параметров силовых цепей, схем управления стабилизаторами.
В системах эпектропитания автономных объектов (СЭП), в частности в спутниках связи, широко применяются импупьсные стабипизаторы напряжения (ИСН). В поспеднее десятипетие требования к качеству выходного напряжения СЭП в динамических и статических режимах значитепьно возроспи. Так, стандарт питания Европейского космического агентства допускает динамическое отклонение напряжения на выходе СЭП на вепичину ± 4 % дпитепьностью не бопее 2мс и регпаментирует мапые допустимые значения модупя частотной характеристики выходного импеданса СЭП. Подобные требования предъявпяют и отечественные стандарты на проектирования систем эпектропитания спутников связи. Требования к качеству выходного напряжения СЭП в статических режимах работы могут быть выпопнены при напичии интегрирующего контура обратной связи, что повышает срок активного существования и надежность СЭП спутника. Выходной сигнап такого интегратора опредепяется:
и вы,и«) = К}+и (0),
0
где Кр - коэффициент передачи интеграпа сигнапа рас-согпасования е(г) = и (г) - £Д, и (г) - выходное
4 ' вых.исн4 ' 0 вых.исн4 '
напряжение ИСН; ио - опорный сигнап; ивыхи(0) - на-чапьное значение выходного сигнапа интегратора.
В то же время, контур обратной связи по интеграпу сигнапа рассогпасования, обеспечивающий астатизм ИСН, может ухудшить его динамические характеристики, в частности, при подкпючении мощных потребитепей энергии к ИСН. Сохранение мапой дпитепьности переходных процессов дпя режимов «мапых» откпонений можно обеспечить путем ограничения коэффициента усипения сигнапа рассогпасования. В спучае коммутации значитепьной нагрузки, мапую дпитепьность переходных процессов можно обеспечить прерыванием процесса интегрирования сигнапа рассогпасования по напряжению [1].
В спучае, еспи предъявпяются повышенные требования к качеству выходного напряжения и в динамических режимах работы, то в ИСН испопьзуют специапьные законы управпения, например, оптимапьный по быстродействию закон управпения ИСН [2]. Структурная схема устройства управпения стабипизаторами напряжения, ре-апизующего этот закон, приведена на рис. 1. Устройство управпения на рис. 1 представпено в виде двух контуров управпения, отвечающих за динамические характеристики ИСН. Коэффициенты К, Ки, Ксв, К0 анапитически оп-
редепены в [2]. Сигнапы с контуров управпения подаются на входы сумматора С1.
Дпя выпопнения комппекса требований в части обеспечения астатизма выходного напряжения на третий вход сумматора С1 подается сигнап с допопнитепьного контура обратной связи, содержащего интегратор сигнапа рассогпасования. Коэффициент Кр интегратора анапитичес-ки опредепен в [2].
В [2] дпя сохранение предепьного быстродействия ИСН в режимах работы при «мапых» возмущающих воздействиях предпожено ограничивать вепичину постоянной интегрирования Кр, а дпя обеспечения мапой дпи-тепьности переходных процессов в режимах работы, приводящих к прерыванию ШИМ, предпожено прерывать процесс интегрирования с помощью бпока прерывания интегрирования (БПИ) при выходе входного сигнапа мо-дупятора и из зоны ШИМ.
Рис. 1. Структурная схема устройства управпения
Постановка задачи. Диапазон возможного изменения интеграпа сигнапа рассогпасования в БПИ задается «верхней» (и ) и «нижней» (и ) границами, показанными
4 верх7 4 ниж7 А 7
на рис. 2.
Рис. 2. Ограничение диапазона изменения интеграпа сигнапа рассогпасования
1 Работа выпопнена в рамках программы поддержки моподых ученых Сибирского Федерапьного Университета
Длительность и амплитуда отклонения выходного напряжения в переходных режимах при коммутации значительной нагрузки зависят от мощности нагрузки, входного напряжения, параметров силовой цепи и устройства управления, а также принятых «верхнего» и «нижнего» уровней ограничения диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования. В связи с этим, предметом исследований является установление зависимости «верхнего» и «нижнего» уровней ограничения, позволяющей минимизировать амплитуду отклонения выходного напряжения и длительность переходного процесса при изменениях мощности нагрузки, входного напряжения и параметров силовой цепи.
Метод решения. Для проведения исследований в пакете проектирования OrCAD были разработаны имитационные модели ИСН понижающего (ИСН ПН) и повышающего (ИСН ПВ) типов с оптимальным по быстродействию управлением. Были проведены исследования электромагнитных процессов в ИСН. Выборочно временные диаграммы, полученные в результате исследований, приведены на рис. 3, 4. Принятые на временных диаграммах обозначения: I - ток нагрузки, 1Ь - ток дросселя силовой цепи, и - выходное напряжение ИСН, V - сигнал
7 вых А 7 инт
интегратора сигнала рассогласования, V - «нижний» уровень ограничения, иверх - «верхний» уровень ограничения.
Исследования по выбору уровней ограничения диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования целесообразно проводить при значениях входного напряжения, близких к значению выходного напряжения. При этом скорости нарастания (для ИСН ПН) и спада (для ИСН ПВ) токов дросселя минимальны, время переходного процесса увеличивается, а на выходе ИСН возникает характерное перерегулирование, которое может быть снижено посредством задания уровней ограничения интегрирования (рис. 3, 4). В случае большой разницы напряжений на входе и выходе скорости изменения токов дросселя высокие, «затягивания» переходного процесса нет, перерегулирование сигнала выходного напряжения отсутствует, сигнал на выходе интегратора изменяется плавно, и ограничивать его не имеет смысла. Исходя из этого, исследования проводились для ИСН ПН при низком значении входного напряжения V = 105 В для случая нарастания тока нагрузки, а для ИСН ПВ - при высоком значении входного напряжения, близком к максимально возможному рабочему напряжению, ивх = 95 В для случая спада тока нагрузки.
Исследования работы стабилизатора проводились при различных емкостях конденсатора выходного фильтра С, индуктивностях дросселя силовой цепи Ь и частотах преобразования / Из анализа диаграмм хорошо видно различие переходных процессов при наличии и отсутствии ограничения интегрирования. При срабатывании уровня ограничения длительность переходного процесса снижается, уменьшается перерегулирование (рис. 3, 4).
Полученные результаты проведенных исследований, позволяют судить о том, что уровни ограничения диапазона интегрирования слабо зависят от емкости конденсатора выходного фильтра при наличии мощного конденсатора. Однако при увеличении частоты преобразования
наблюдается усиление зависимости уровней ограничения интегрирования от емкости конденсатора. Стоит отметить, что при значительном снижении емкости конденсатора выходного фильтра становится очень трудно обеспечить устойчивость ИСН при увеличении диапазона интегрирования.
Рис. 3. Временные диаграммы работы ИСН ПВ при параметрах: V = 95 В; V = -1; V = 2; Ь = 150мкГн;
г Г вх ’ ниж ’ верх ’ ’
С = 1 000 мкФ; /= 60 кГц
Рис. 4. Временные диаграммы работы ИСН ПВ при параметрах: V = 95 В; V = -1; V = 1,2; Ь = 150мкГн;
вх ниж верх
С = 1 000 мкФ;/ = 60 кГц
Результаты исследований по установлению зависимостей уровня ограничения диапазона возможного изменения интеграла сигнала рассогласования от величины емкости С конденсатора выходного фильтра, индуктивности Ь дросселя силовой цепи и частоты преобразования/приведены графически на рис. 5. Значение смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования определяется по формуле Ког = Кз [Uниж/Uл(I)] -для ИСН ПН; Когр = (1 - KзXUl!ЧI/UІГ)] -'для ИСн ПВ, где V (Г) - амплитудное значение пилообразного сигнала ШИМ; Кз - статический коэффициент заполнения.
Таким образом, приведенные на рис. 5 зависимости позволяют определять границы возможного изменения интеграла сигнала рассогласования, при которых обеспечивается наименьшее отклонение выходного напряжения. При этом перерегулирование снижается до 70 %, а длительность переходного процесса на 10...50 % относительно результатов, полученных при использовании ИСН без прерывания интегрирования.
Использование полученных зависимостей смещения границ диапазона изменения интеграла сигнала рассогласования при управлении ИСН позволит снизить перерегулирование, сократить длительность переходных процессов, избежать возникновения автоколебательных режимов работы ИСН при коммутации значительной на-
грузки или нагрузки, носящей импульсный характер. Одновременно с этим повышается надежность системы электропитания и увеличивается срок службы спутника связи в целом.
Совместно с оптимальным по быстродействию законом управления, обеспечивающим близкую к минимальной длительность переходных процессов, применение полученных зависимостей позволяет также достигать
250 Ц мкГн +■
малого времени регулирования при значительных возмущающих воздействиях. При этом динамические характеристики ИСН остаются высокими, близкими к предельным, при одновременно низком значении выходного импеданса СЭП, что обеспечивается применением закона управления [1].
Применять результаты полученных исследований целесообразно с использованием средств цифровой обра-
500 700 С, мкФ
1—і—і—і—н
К,
огр
2.5 2
1.5 1
0,5
\ = 20 іГц \ = 40 іГц - - а * -1=6
.1
, л г * :
■--'Ті і- ' г ^ . " ■ _ «< і ■*
- : ; л ■ ■ ■ . !> ' * Г У* .
,
^ = 80 (Гц—* - \ = 100 кГц-
50
150
250 |_, мкГн ЮО
400
700
С, мкФ
=20 іГц--------і =40і4“ц - - - =60іГц — - =80 іГц — * - f = 100 іГц-------ґ = 120 нГц
в г
к
°Ф 400 700 С,мкФ
Ї00
■ І_ = 50 мкГн
■ І_ = 200 МКГН
1. = 100 мкГн І_ = 250 мкГн
400 700
------- |_ = 150 мсГн
І. = 300 КЖГн
д е
Рис. 5. Зависимости коэффициента ограничения от индуктивности дросселя, емкости выходного фильтра, частоты преобразования ИСН: а - зависимость коэффициента ограничения от индуктивности дросселя для ИСН ПН; б - зависимость коэффициента ограничения от емкости выходного фильтра для ИСН ПН; в - зависимость коэффициента ограничения от индуктивности дросселя для ИСН ПВ; г - зависимость коэффициента ограничения от емкости выходного фильтра для ИСН ПВ; д - зависимость коэффициента ограничения от емкости выходного фильтра для ИСН ПН при вариации индуктивности дросселя; е - зависимость коэффициента ограничения от емкости выходного фильтра
для ИСН ПВ при вариации индуктивности дросселя
ботки сигналов, так как реализация значительно усложненного закона управления ИСН на аналоговых элементах станет затруднительной как в проектировании, так и в производстве. Структурные схемы выпускаемых промышленностью специализированных интегральных схем существенно отличаются от структуры устройства управления, реализующего оптимальный по быстродействию закон управления. Аппаратная реализация закона управления на подобных микросхемах вызовет применение большого количества внешних элементов, что повлечет за собой усложнение и снижение надежности устройства управления. Поэтому переход на микроэлектронную базу, к цифровой обработке сигналов является не-
обходимостью, что также повысит надежность СЭП и улучшит ее эксплуатационные характеристики.
Библиографический список
1. Пат. 2025764 РСФСР, МКИ4 G 05 F 1/56. Способ управления импульсным стабилизатором / Соустин Б. П., Иванчура В. И., Краснобаев Ю. В., Манаков А. В. Опубл. 30.12.94, Бюл. № 22.
2. Соустин, Б. П. Системы электропитания космических аппаратов / Б. П. Соустин, В. И. Иванчура, А. И. Чернышев, Ш. Н. Исляев. Новосибирск : ВО «Наука». Сиб. изд. фирма, 1994.
D. V. Kapulin
HIGH RELIABLE HIGH-SPEED VOLTAGE IMPULSE STABILIZER WITH INTEGRATOR IN REVERSE TIE CIRCUIT
The function of voltage impulse stabilizer decrease and increase types with reverse tie circuit integrator is considered. The researches for definition of interval for non-adjustment integral signal in dependence of various parameters power and control circuits are conducted.
УЦК 62.506
А. А. Колташев
УПРАВЛЕНИЕ РАЗРАБОТКОЙ БОРТОВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Рассматривается технология разработки бортового программного обеспечения (БПО) спутников связи и навигации в аспекте обеспечения эффективного управления работами, гарантирующего создание БПО в требуемые сроки, с требуемым качеством и в рамках заданныых ресурсов.
В ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева используется и развивается эффективная технология создания и сопровождения бортового программного обеспечения (БПО) спутников связи и навигации [1; 2].
Технология основывается на специальном архитектурном расслоении БПО, использовании при разработке и сопровождении БПО интегрированной среды разработки и верификации БПО и на специальных методах гарантирования качества, базирующихся на трех составляющих: качестве компонент БПО, качестве управления конфигурацией БПО, качестве верификации и подтверждения БПО [3].
С использованием этой технологии успешно в заданные сроки с требуемым качеством и в рамках заданных ресурсов создаются спутники связи и навигации, использующие в составе бортовых комплексов управления различные вычислительные платформы.
Многолетний опыт создания серии спутников, таких как ЭКСПРЕС-АМ и ГЛОНАСС-М, позволил выработать эффективную типовую структурную декомпозицию работ по конкретному проекту, представленную на рис. 1 [4].
На рис. 1 выделено три рабочих области: первая область представляет состав работ по созданию и сопро-
вождению инструментальных средств разработки БПО [3] - технологического комплекса производства программ БПО (ТКПП) и наземного отладочного комплекса БПО (НОК); вторая область представляет собственно работы по созданию БПО спутника с использованием средств ТКПП и НОК. В третьей области представлены работы по отработке и подтверждению ПО отдельных подсистем и БПО в целом на отработочных и летных изделиях подсистем спутника и спутника в целом.
Началом работ по созданию БПО нового спутника считается выпуск исходных данных на логику функционирования космического аппарата (ИЦ ЛФ КА). После этого головной отдел по разработке БПО совместно с отделами разработчиками ПО подсистем начинает работу по определению требований к БПО в целом, требований к ПО подсистем и по распределению ресурсов бортового комплекса управления между подсистемами. Цанная работа выполняется в рамках документа «Исходные данные на БПО» (ИЦ БПО). Работа выполняется одновременно с разработкой исходных данных на логику функционирования подсистем, но не может быть завершена до их выпуска. Разумеется, во всех случаях выпуска документов речь идет о выпуске редакции документа в том объеме, который не-
