4.3. Импульсная модуляция

Рассмотрим виды модуляции более подробно, полагая закон модуляции линейным. При этом будем считать, что в соответствии с терминологией, принятой в информационной импульсной технике, имеет место модуляция 1-го рода, когда модулируемые параметры определяются значениями модулирующего сигнала в фиксированные моменты времени, в частности, совпадающие с моментами переключения ключей из непроводящего состояния в проводящее. При модуляции 2-го рода модулируемый параметр может зависеть от разных значений модулирующей функции на интервале переключения.

На рис. 4.4, а, и рис. 4.4, б, приведены схема и диаграммы, поясняющие управление с АИМ. Модуляция в соответствии с функцией f_m осуществляется переключением ключей S1-S4 из одного состояния в другое с постоянной частотой f =1/Т в моменты времени Т, 2Т, 3Т. При этом предполагается, что во включенном состоянии может находиться только один ключ. Длительность включенного состояния постоянна и равна t_и (рис. 4.4, б).

а в

Рис. 4.4. Система управления с АИМ: a-принципиальная схема; б-напряжения устройства при t_и <T; в- диаграмма напряжения ключа при t_и <T

В результате переключений на выходе устройства формируется напряжение с различными амплитудами. Если длительность импульсов t_{и =}Т то на выходе формируется последовательность импульсов с амплитудами Е, 2Е, 3Е и 4Е. При t_и = Т напряжение на выходе будет соответствовать ступенчатой функции с пороговым значением Е (рис. 4.4, в). Системы управления с АИМ относятся к линейным системам, для анализа которых справедливы принципы наложения или суперпозиции. Однако построение систем, реализующих изменение амплитуды импульсов, является непростой задачей, для решения которой, например, необходимо использовать первичный источник питания с четырьмя выводами от отдельных секций напряжением Е (см. рис. 4.4, а). Кроме того, возможности управления в этом случае ограничены количеством коммутируемых секций. В настоящее время существуют конструкции, изготовленные по принципу последовательно соединенных модулей, позволяющих ступенчато изменять входное напряжение, т.е. реализовать АИМ, в частности в многоуровневых преобразователях.

На рис. 4.5, а показана система управления с ШИМ и ЧИМ. При ШИМ ключ S переключается с постоянной частотой f =1/Т, а длительность импульса t_и определяемая включенным состоянием ключа, изменяется в соответствии со значением модулирующей функции f_m (рис. 4.5, б). В системах с ЧИМ изменяется частота переключения ключа S, что соответствует изменению периода переключения ключа согласно значениям функции f_m (рис. 4.5, в). Длительность импульса t_и остается в этом случае постоянной. Так как изменение частоты связано с изменением фазы, то аналогичным образом может быть реализована фазоимпульсная модуляция (ФИМ). Системы управления с ШИМ получили н большее распространение в силовых электронных устройствах.

а в

Рис. 4.5. Система управления с ШИМ: а- принципиальная схема; б- диаграмма ШИМ; в- диаграмма ЧИМ

Наиболее распространенный способ управления по напряжению основан на вертикально-фазовом управлении. При этом может быть реализовано управление по возмущению и по отклонению регулируемого параметра. На рис. 4.6, а представлена структурная схема системы управления по возмущению со стороны входного напряжения E. Напряжение генератора пилообразного напряжения формируется с частотой f = 1/Т, и его амплитуда u_т определяется значением входного напряжения Е, поступающего на ГПН. Импульсы для включения ключа формируются блоком ФИУ в начальные моменты формирования напряжения u_г (О, T, 2Т....) (рис. 4.6, б). Действие импульса прекращается в моменты равенства напряжений u_г и напряжения задания, что и определяет длительность импульса. В свою очередь, длительность импульса соответствует длительности включенного состояния ключа S1 (и выключенного S2). В результате происходит изменение значения напряжения на нагрузке u_н. Повышение напряжения Е или его уменьшение приводит к соответствующему уменьшению или увеличению длительности импульса управления.

б

Рис 4.6. Схема управления импульсного преобразователя с регулированием по возмущению: a-структурная схема; б-диаграммы формирования импульсов управления

Таким образом, реализуется стабильность выходного напряжения при изменениях входного Е, т. е. инвариантность регулируемого параметра от возмущения со стороны входного напряжения. Если это возмущение является определяющим, то такая организация управления позволяет наиболее эффективно обеспечивать стабилизацию выходного напряжения.

Структурная схема СУ, реализующая классический способ управления по отклонению на основе вертикально-фазового принципа организации ШИМ, представлена на рис. 4.7. В отличие от структуры на рис. 4.6, а, выходное напряжение u_н поступает на датчик и затем сравнивается с напряжением задания. Разность этих напряжений сравнивается с напряжением ГПН u_г (рис. 4.7, б). Момент равенства этих напряжений определяет длительность импульса в соответствии с принципом действия отрицательной обратной связи: при увеличении u_н увеличивается и поэтому его длительность уменьшается. При снижении u_н длительность возрастает, что приводит к стабилизации напряжения на нагрузке. Другой возможный вариант управления по току с постоянной частотой приведен на рис. 4.7, а. При таком способе управления момент формирования импульса управления на включение ключа S1 задается генератором импульсов ГИ с постоянной частотой f=1/Т, а импульс на выключение формируется в момент времени достижения током, максимального значения, определяемого сигналом рассогласования (рис. 4.7. б).

Рис. 4.7. Схема управления с регулированием по отклонению: a-структурная схема; б- диаграммы формирования импульсов управления; К1,К2- компараторы

При этом способе управления работоспособность схемы преобразователя сохраняется как при непрерывном, так и при прерывистом токе. В системах управления с модуляцией выходного тока по заданному закону широко используется принцип «слежения» реального тока за значениями, заданными законом модуляции. Наиболее часто этот способ применяется в системах переменного тока для обеспечения синусоидальной формы входного или выходного тока преобразователя. Этот способ называется «следящим» или дельта- модуляцией. Он близок к способу управления по току в заданной полосе. Без принятия специальных схемотехнических решений частота модуляции в этом случае также является переменной. На рис. 4.7 приведены упрощенная структурная схема его реализации и диаграммы формирования импульсов управления. Принцип «слежения» может быть применен и в системах с отслеживанием заданного напряжения. В этом случае в структуру регулятора обычно включается пропорционально-интегральное звено (ПИ-регулятор). На вход его подается разность задаваемого и реального напряжения, поступающего по цепи обратной связи. С выхода ПИ-звена сигнал поступает на релейно-импульсный переключатель с гистерезисной характеристикой. В этих системах частота импульсов управления является переменной, если не применять специальных мер. Из рассмотренных примеров следует, что при некоторых способах импульсного управления частота их следования является переменной величиной. В большинстве случаев изменение частоты коммутации ключей при работе преобразователя нежелательно. Основным ограничением является необходимость использования в таких системах более «тяжелых» входных и выходных фильтров, имеющих худшие удельные массогабаритные показатели.

Следует также отметить, что в отдельных случаях специально принимают меры к «размыванию» частотного спектра. При стабильной частоте частотный спектр имеет явно выраженный дискретный характер высших гармоник в сочетании с сопутствующими боковыми частотами. Такой спектр может быть нежелательным из-за следующих явлений: повышения акустических шумов в звуковом диапазоне; повышения потерь мощности в магнитопроводах на отдельных частотах в зависимости от марки магнитного материала; возникновения нежелательных резонансных явлений в системе источник питания — потребители; снижения информационной безопасности при использовании преобразователя в системах связи и др.