Следящий инвертор с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для следящих инверторов с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и с LC-фильтром в непрерывной части, может найти широкое применение в управлении электроприводами, регулируемыми источниками питания и другими техническими устройствами. Технический результат - повышение устойчивости работы инвертора и уменьшение погрешности при формировании его выходного сигнала. Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно введены второй блок формирования управляющего сигнала и второй блок формирования сигнала развертки. Это обеспечивает в следящем инверторе с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией реализацию закона управления с двумя управляющими сигналами соответственно для формирования выходного сигнала положительной и отрицательной полярности с сохранением типа модуляции и надлежащей последовательностью коммутации в блоке импульсных элементов при смене знака опорного сигнала. 2 ил.

 

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для следящих инверторов с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и с LC-фильтром в непрерывной части, и может найти широкое применение в управлении электроприводами, регулируемыми источниками питания и другими техническими устройствами.

Известен инвертор, в котором сигнал, переключающий импульсный элемент, формируют из суммы сигнала задания и сигнала временной развертки с пилообразным напряжением [1].

Недостаток использования сигнала временной развертки с пилообразным напряжением заключается в том, что ошибка на выходе инвертора зависит от напряжения питания и нагрузки. Кроме того, в следящих системах управления с известным инвертором для обеспечения устойчивой работы требуется введение сложных корректировок сигнала задания.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является следящий инвертор с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией, содержащий: блок импульсных элементов, непрерывную часть (LC-фильтр), узел дифференцирования, узел выделения ошибки, блок формирования управляющего сигнала, RS-триггер, блок формирования сигнала развертки и пять двухканальных переключателей [2].

Известное устройство реализует закон управления вида

где X=U_вых-U_on - сигнал ошибки, формируется как разность между выходным сигналом инвертора и опорным сигналом; - сигнал производной от выходного сигнала непрерывной части устройства (выходной сигнал датчика тока); Т_d - коэффициент передачи; Y_p - сигнал периодической развертки, равный в момент коммутации прогнозируемому инверсному значению производной от выходного сигнала; - постоянная времени непрерывной части устройства; Т - длительность периода синхронизации; t_p - временная координата для формирования сигнала развертки ({а} - дробная часть числа а), t - текущее время (t_p=0 и t_p=T - начало и конец периода синхронизации, т.е. момент перехода от конца периода синхронизации к началу следующего периода синхронизации, возвращение импульсного элемента в исходное состояние); U1_L и U2_L - напряжения между входом и выходом непрерывной части устройства на интервалах до и после коммутации импульсных элементов на участке между моментами синхронизации; U_вх - напряжение питания инвертора; RS-состояние RS-триггера, определяет состояние блока импульсных элементов (RS=0 к входу непрерывной части подключено напряжение - U_вх, RS=1 - напряжение U_вх).

Недостатком известного следящего инвертора с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией является наличие большого количества переключателей в цепях формирования управляющего сигнала, что снижает качество регулирования и устойчивость работы инвертора. Кроме того, для формирования сигнала периодической развертки по выражению (1), в состав блока формирования сигнала развертки входят два элемента памяти достоверно запоминающие значения в конце первого периода коммутации и в конце второго периода коммутации для последующего вычисления значений и . В результате блок формирования сигнала развертки достоверно прогнозирует производную выходного сигнала только на третий период коммутации.

Цель технического решения - повышение устойчивости работы инвертора и уменьшение погрешности при формировании его выходного сигнала.

Поставленная цель достигается формированием двух управляющих сигналов соответственно для формирования выходного напряжения положительной и отрицательной полярности. Кроме того, сигнал развертки для каждого управляющего сигнала формируется в соответствии с выражением

,

которое следует из уравнения формирования сигнала развертки Y_p по закону управления (1) если принять, что средние за период синхронизации значения напряжений Ul_L и U2_L не меняются.

Так как U1_L=U1_вх-U_вых, U2_L=U2_вх-U_вых, где Ul_вх, U2_вх - напряжения на входе непрерывной части устройства на интервалах до и после коммутации импульсных элементов на участке между моментами синхронизации, U_вых - выходное напряжение устройства, а при двухсторонней модуляции U1_вх=-U2_вх закон управления при формировании двух управляющих сигналов имеет вид

Закон управления (3) обеспечивает сохранение типа модуляции и оптимальную коммутацию импульсных элементов инвертора при смене знака опорного сигнала раздельным формированием управляющих сигналов для положительного и отрицательного выходного напряжения.

Для реализации предложенного закона управления (3) в известное устройство дополнительно введены блок формирования управляющего сигнала, блок формирования сигнала развертки и два элемента 2ИЛИ.

На фиг.1 приведена структурная схема инвертора с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией импульсов напряжения питания, на фиг.2 - структурная схема блока формирования сигнала развертки.

Инвертор содержит: блок импульсных элементов 1, непрерывную часть 2, узел дифференцирования 3, узел выделения ошибки 4, два блока формирования управляющего сигнала 5.1 и 5.2, RS-триггер 6 и два блока формирования сигнала развертки 7.1 и 7.2. Блок импульсных элементов 1 соединяет вход непрерывной части 2 с шинами напряжения питания U_вх, управляющий вход бока импульсных элементов 1 соединен с выходом RS-триггера 6, выход непрерывной части 2 соединен с выходной шиной инвертора U_вых, вход узла дифференцирования 3 соединен с выходом непрерывной части 2, входы узла выделения ошибки 4 соединены с выходной шиной инвертора U_вых и с шиной опорного напряжения U_on, блоки формирования управляющего сигнала 5.1 и 5.2 имеют по три входа и одному выходу, первые входы блоков формирования управляющего сигнала 5.1 и 5.2 соединены с выходом узла дифференцирования 3, вторые входы блоков формирования управляющего сигнала 5.1 и 5.2 соединены с выходом узла выделения ошибки 4, третьи входы блоков формирования управляющего сигнала 5.1 и 5.2 соединены соответственно с выходами блоков формирования сигнала развертки 7.1 и 7.2, выходы блоков формирования управляющего сигнала 5.1 и 5.2 соединены соответственно с первыми входами элементов 2ИЛИ установленных на S- и R-входах RS-триггера 6, блоки формирования сигнала развертки 7.1 и 7.2 имеют три входа, первые входы блоков формирования сигнала развертки 7.1 и 7.2 соединены с выходной шиной инвертора U_вых вторые входы блоков формирования сигнала развертки 7.1 и 7.2 соединены с шиной питания U_вх, третий вход блока формирования сигнала развертки 7.1 соединен со вторым входом элемента 2ИЛИ R-входа RS-триггера 6 и с шиной синхронизации U_ic(+), третий вход блока формирования сигнала развертки 7.2 соединен со вторым входом элемента 2ИЛИ S-входа RS-триггера 6 и с шиной синхронизации U_ic(-). Каждый блок формирования сигнала развертки 7.1, 7.2 (фиг.2) содержит: узел интегрирования 8, масштабный сумматор 9 и узел вычитания 10, первый вход блока формирования сигнала развертки соединен с первым входом масштабного сумматора 9, второй вход блока формирования сигнала развертки соединен со вторым входом масштабного сумматора 9 и с управляющим входом узла интегрирования 8, третий вход блока формирования сигнала развертки соединен с входом установки нуля узла интегрирования 8, выход узла интегрирования 8 соединен с прямым входом узла вычитания 10, выход масштабного сумматора 9 соединен с вычитающим входом узла вычитания 10, выход узла вычитания 10 соединен с выходом блока формирования сигнала развертки.

Следящий инвертор с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией работает следующим образом.

Синхроимпульсы U_ic(+), U_ic(-) на шинах синхронизации задают начало и длительность периода синхронизации Т, синхроимпульсы сдвинуты между собой на половину периода синхронизации. Синхроимпульс U_ic(+) поступает на второй вход элемента 2ИЛИ R-входа RS-тритгера 6, а синхроимпульс U_ic(-) на второй вход элемента 2ИЛИ S-входа RS-триггера. На первый вход элемента 2ИЛИ S-входа RS-триггера 6 поступает цифровой сигнал, логическое выражение которого определяется отрицательным значением сигнала F(+). На первый вход элемента 2ИЛИ R-входа RS-триггера 6 поступает цифровой сигнал, логическое выражение которого определяется положительным значением сигнала F(-). Сигналы F(+), F(-) формируются на выходе соответствующего блока формирования управляющего сигнала 5.1, 5.2 в соответствии с выражениями (3), при этом сигнал ошибки Х формируется на выходе узла выделения ошибки 4, дифференцированный выходной сигнал формируется на выходе узла дифференцирования 3, сигналы разверток Y_p(+) и Y_p(-) формируются на выходе соответствующего блока формирования сигнала развертки 7.1, 7.2. Блок импульсных элементов 1 подключает к входу непрерывной части 2 напряжение питания U_вх при состоянии RS=1 RS-триггера 6, и напряжение питания U_вх при состоянии RS=0 RS-тритгера 6. В результате напряжение питания U_вх подключается к входу непрерывной части 2 при появлении синхроимпульса U_ic(-) или сигнале управления F(+)≤0, а напряжение питания -U_вх подключается к входу непрерывной части 2 при появлении синхроимпульса U_ic(+) или при сигнале управления F(-)≥0. Таким образом, формирование на выходе инвертора напряжения положительной полярности осуществляется синхроимпульсом U_ic(+) и сигналом управления F(+) при этом длительность подключения напряжения питания U_вх к входу непрерывной части 2 превышает половину периода коммутации и появление синхроимпульса U_ic(-) происходит при напряжении питания U_вх на входе непрерывной части 2, поэтому не влияет на формирование напряжения положительной полярности. Формирование на выходе инвертора напряжения отрицательной полярности осуществляется синхроимпульсом U_ic(-) и сигналом управления F(-), при этом длительность подключения напряжения питания -U_вх к входу непрерывной части 2 превышает половину периода коммутации и появление синхроимпульса U_ic(+) происходит при напряжении питания -U_вх на входе непрерывной части 2, поэтому не влияет на формирование напряжения отрицательной полярности. В блоке формирования сигнала развертки 7.1 на выходе узла интегрирования 8 формируется сигнал , на выходе масштабного усилителя 9 формируется сигнал , а на выходе узла вычитания формируется сигнал развертки Y_p(+), аналогичным образом в блоке формирования сигнала развертки 7.2 формируется сигнал развертки Y_p(-).

Дополнительно введенные блок формирования управляющего сигнала, блок формирования сигнала развертки и элементы 2ИЛИ на входах RS-триггера обеспечивают в предлагаемом следящем инверторе с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией реализацию предложенного алгоритма управления сохраняющего тип модуляции и надлежащую последовательность коммутации в блоке импульсных элементов при смене знака опорного сигнала, а узел интегрирования, масштабный усилитель и узел вычитания формируют сигнал развертки без элементов памяти.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ на изобретение №2026599, МПК⁶ Н 02 М 1/08, 10.01.1995.

2. Патент РФ на изобретение №2202144, МПК⁷ G 05 В 13/02, 10.04.2003.

Следящий инвертор с односторонней двухполярной широтно-импульсной модуляцией, содержащий блок импульсных элементов, непрерывную часть, узел дифференцирования, узел выделения ошибки, блок формирования управляющего сигнала, RS-триггер и блок формирования сигнала развертки, блок импульсных элементов соединяет вход непрерывной части с шинами питания, управляющий вход блока импульсных элементов соединен с выходом RS-триггера, выход непрерывной части соединен с выходом инвертора, узел дифференцирования соединен с выходом непрерывной части, узел выделения ошибки соединен с выходом инвертора и с шиной опорного напряжения, блок формирования управляющего сигнала имеет три входа, первый вход блока формирования управляющего сигнала соединен с выходом узла дифференцирования, второй вход блока формирования управляющего сигнала соединен с выходом узла выделения ошибки, третий вход блока формирования управляющего сигнала соединен с выходом блока формирования сигнала развертки, отличающийся тем, что дополнительно введены второй блок формирования управляющего сигнала, второй блок формирования сигнала развертки, а на входах RS-триггера установлены элементы 2ИЛИ, первый и второй входы второго блока формирования управляющего сигнала соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока формирования управляющего сигнала, третий вход второго блока формирования управляющего сигнала соединен с выходом второго блока формирования сигнала развертки, выходы первого и второго блоков формирования управляющего сигнала соединены соответственно с первыми входами элементов 2ИЛИ на S- и R-входах RS-триггера, блоки формирования сигнала развертки имеют по три входа, первые входы первого и второго блоков формирования сигнала развертки соединены с выходной шиной инвертора, вторые входы первого и второго блоков формирования сигнала развертки соединены с шиной питания, третий вход первого блока формирования сигнала развертки соединен соответственно со вторым входом элемента 2ИЛИ на R-входе RS-триггера и с первой шиной синхронизации, третий вход второго блока формирования сигнала развертки соединен соответственно со вторым входом элемента 2ИЛИ на S-входе RS-триггера и со второй шиной синхронизации, каждый блок формирования сигнала развертки содержит узел интегрирования, масштабный сумматор и узел вычитания, первый вход блока формирования сигнала развертки соединен с первым входом масштабного сумматора, второй вход блока формирования сигнала развертки соединен со вторым входом масштабного сумматора и с управляющим входом узла интегрирования, третий вход блока формирования сигнала развертки соединен с входом установки нуля узла интегрирования, выход узла интегрирования соединен с прямым входом узла вычитания, выход масштабного сумматора соединен с вычитающим входом узла вычитания, выход узла вычитания соединен с выходом блока формирования сигнала развертки.