ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02P5/17 H02P5/16 H02P5/34 G05B13/02 G05D13/00 A01D69/02 A01D34/58 

Изобретение относится к средствам управления, применяемым преимущественно на сельскохозяйственных машинах и комбинируемых с ними средствах, но может также найти применение и в других отраслях машиностроения.

Известно электронное устройство управления, включающее генератор пилообразного напряжения и средство задания уровня нагрузки, которые подключены ко входам узла сравнения, причем выход последнего связан с управляющим ключом [1]. При работе данного устройства уровень пилообразного напряжения сравнивается с уровнем напряжения, поступающим со средства задания уровня нагрузки, посредством чего формируется последовательность прямоугольных импульсов требуемой длительности, которые, поступая на нагрузку, определяют режим ее работы.

Недостатком данного устройства являются невысокие эксплуатационные параметры и отсутствие защиты от изменений параметров нагрузки, произошедших в процессе работы.

Также известно электронное устройство управления, включающее генератор пилообразного напряжения и средство задания уровня нагрузки, которые подключены ко входам узла сравнения, причем выход последнего связан с управляющим ключом и с цепью обратной связи, которая, учитывая также сигналы с нагрузки, корректирует уровень нагрузки [2].

Недостатком данного устройства является также невысокий уровень его эксплуатационных параметров и защиты от изменения параметров нагрузки.

Наиболее близким к заявляемому является электронное устройство управления, включающее широтно-импульсный модулятор с генератором опорного сигнала, имеющий вход для подключения средства задания уровня нагрузки, блок ключей, мощный исполнительный ключ и узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции [3]. В данном случае средство задания уровня нагрузки совмещено с генератором опорного сигнала, что затрудняет осуществлять автоматическую коррекцию выходного сигнала для подачи его на нагрузку, более того, защита от короткого замыкания в нагрузке в данном случае также довольно неэффективна.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных параметров устройства за счет повышения эффективности формирования сигнала управления для нагрузки и повышение эффективности защиты от короткого замыкания.

Указанная техническая задача решается тем, что устройство снабжено формирователем пилообразного напряжения, ключевым стабилизатором напряжения, в цепь обратной связи которого включен генератор тока, вход которого связан с выходом мощного исполнительного ключа, узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции выполнен в виде логического корректора режима работы и логического анализатора наличия короткого замыкания, а блок ключей выполнен в виде двухвходового логического ключа, выход которого посредством ключевого стабилизатора напряжения связан со входом мощного исполнительного ключа, при этом выход генератора опорного сигнала посредством последовательно включенных формирователя пилообразного напряжения и широтно-импульсного модулятора подключен к первому входу двухвходового логического ключа и непосредственно подключен к первому входу логического корректора режима работы, выход которого связан с входом широтно-импульсного модулятора и входом для подключения средства задания уровня нагрузки, при этом первый вход логического анализатора наличия короткого замыкания связан с выходом мощного исполнительного ключа, а второй - с выходом широтно-импульсного модулятора, а выход данного анализатора подключен ко второму входу двухвходового логического ключа и второму входу логического корректора режима работы.

А также тем, что логический анализатор наличия короткого замыкания выполнен в виде триггера Шмитта, к первому входу которого подключен выход делителя напряжения, связанный с выходом мощного исполнительного ключа, а ко второму входу - выход широтно-импульсного модулятора, причем выход триггера Шмитта подключен ко второму входу двухвходового логического ключа и второму входу логического корректора режима работы.

И, кроме того, тем, что логический корректор режима работы выполнен в виде триггера Шмитта, к первому входу которого подключен выход генератора опорного сигнала, ко второму - через соответствующий ключевой элемент-выход логического анализатора наличия короткого замыкания, а выход данного триггера Шмитта подключен ко входу широтно-импульсного модулятора и через соответствующий ключевой элемент - ко входу для подключения средства задания уровня нагрузки.

Поиск, проведенный по научно-технической литературе, показал, что заявленная совокупность неизвестна, т.е. заявленное соответствует условию изобретения "новизна". Поскольку имеется потребность в такого рода устройствах и они реализуются на основании известных элементов, то заявленное соответствует условию "промышленная применимость". А так как в результате использования реализуется поставленная техническая задача, причем неочевидным для специалиста образом, то заявленное соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, на фиг.2 - связь данного устройства с внешними элементами.

Электронное устройство управления включает генератор 1 опорного сигнала, формирователь 2 пилообразного напряжения, широтно-импульсный модулятор 3, блок ключей, выполненный в виде двухвходового логического ключа 4, вторичный источник 5 питания, ключевой стабилизатор 6 напряжения, генератор 7 тока, узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции, выполненный в виде логического анализатора 8 наличия короткого замыкания и логического корректора 9, мощный исполнительный ключ 10. Устройство может иметь разъем 11 /ХР1/, к клемме К1 которого подключается один полюс внешнего источника 12 питания/аккумулятора и т.д./, к клемме К2 - нагрузка 13, к клемме К3 - средство задания уровня нагрузки, например резистор 14, к клемме К4 - другой полюс внешнего источника 12. Генератор 1 может быть выполнен, например, на триггере Шмитта DD1.1, опорная частота которого формируется посредством цепи R1C1. Формирователь 2 может быть выполнен в виде цепочки, выполненной из резисторов R4, R3, R10 и конденсаторов C4 и C2. Дополнительные элементы - конденсатор C5, резистор R5 и ключевой элемент VD5, -предназначены для смещения пилообразного сигнала относительно порога срабатывания модулятора 3, который может быть выполнен, например, на триггере Шмитта DD1.2. Двухвходовой логический ключ может быть выполнен на транзисторах VT4 и VT5 в каскадном включении с ограничительными резисторами R7, R5 на их входах соответственно. Ключевой стабилизатор 6 напряжения выполнен на транзисторе VT2, база которого подключена к месту соединения резистора R12 и стабилитрона VD4, подключенного также к шине питания, коллектор транзистора VT2 связан через резистор R13 с другой шиной питания и, кроме того, со входом мощного ключа 10, который может быть выполнен, например, на полевом быстродействующем транзисторе VT1 со статической индукцией типа КП958А, т.е. с затвором этого транзистора, исток которого заземлен, а выход ключа 10-сток подключен к цепи обратной связи в виде генератора 7 тока, выполненного на делителе из резисторов R11 и R14 /между стоком и плюсовой клеммой/, к средней точке которого подключена база транзистора VT3, коллектор которого связан с плюсовой клеммой, а эмиттер - с эмиттером транзистора VT2 стабилизатора напряжения. Диод VD1 защищает устройство от переполюсовки, а вторичный источник питания 5, выполненный в виде диода VD2, резисторе R15, стабилитроне VD3, конденсаторе C6 позволяет осуществлять питание микросхемы DD1 и задавать стабильные уровни смещения. К стоку VT1 также подключены нагрузка 13, например мощный электродвигатель постоянного тока, электронасос, разбрызгиватель и т.д. и делитель напряжения R9, R8 анализатора 8, выполненного на триггере Шмитта DD1.4, при этом средняя точка делителя связана с первым входом данного триггера DD1.4, ко второму входу которого подключен выход триггера DD1.2, а выход DD1.4 через резистор R5 связан со вторым входом ключа 4 и посредством емкости C5 - с формирователем 2, кроме того, посредством диода VD6 - со вторым входом корректора 9, который выполнен также на триггере Шмитта DD1.3, причем к этому же входу подключена средняя точка делителя на резисторе R2 и конденсаторе C3, включенного между разнополярными клеммами, т.е. между плюсом и минусом вторичного источника 5 соответственно. Первый вход триггера DD1.3 связан с выходом генератора 1-выходом триггера DD1.1, который также подключен ко входу формирователя 2-резистору R4. Выход триггера DD1.3 посредством резистора R6 и ключевого элемента VD5 подключен к средству задания уровня нагрузки 14 /например, резистору/, и также посредством резистора R6 и R10 связан с входами триггера DD1.2, между средней точкой и минусовой клеммой источника питания также подключен конденсатор C2. При этом выход триггера DD1.2 посредством резистора R7 связан с базой транзистора VT4, которая является первым входом ключа 4, вторым входом которого является база транзистора VT5 с ограничительным резистором R5, при этом коллектор транзистора VT4 является выходом ключа 4 и посредством резистора R12 связан с базой транзистора VT2. Формирователь 2 при этом выполнен в виде последовательно включенных резистора R4 и конденсатора C4, к которому подключена средняя точка последовательно включенных резисторов R3 и R10, причем последний подключен к точке соединения резистора R6, конденсатора C2 и диода VD5. В частном случае триггеры Шмитта могут быть выполнены на микросхеме типа К651ТЛ1.

Устройство работает следующим образом. От внешнего источника 12 подают питание через разъем 11 ХР1. Вторичный источник питания 5 подает стабилизированное напряжение на остальные узлы устройства. Генератор 1 начинает вырабатывать прямоугольные импульсы с некоторой частотой F, исходное значение которой устанавливается элементами C1 и R1. Прямоугольные импульсы с выхода генератора 1 посредством формирователя 2 преобразовываются в пилообразную форму /в частном случае - треугольную/ и подаются на широтно-импульсный модулятор/ШИМ/ 3, на выходе которого будет иметь место последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, которая определяется уровнем смещения на входах DD1.2. При отсутствии короткого замыкания /КЗ/ в нагрузке 13 на входе ключа 4-транзисторе VT5 высокий уровень и он постоянно открыт. Сигнал ШИМ через ограничивающий резистор R7 поступает на другой вход ключа 4-транзистор Vt4 и периодически открывает его. Таким образом, открытые два транзистора VT4, VT5 открывают через резистор R12, ограничивающий ток через стабилитрон VD4, транзистор VT2, при этом падение напряжения на нем постоянно. Ток, протекающий по цепи управления мощности ключа 10, задается делителем R14, R11 транзистора VT3 генератора 7 тока в цепи обратной связи транзистора VT2 стабилизатора 6 напряжения. С данного делителя сигнал синхронно с сигналом ШИМ с выхода ключа 10/стока/ воздействует на значение тока управления обратно пропорционально напряжению питания. Таким образом, режим работы ключевого стабилизатора 6 на транзисторе VT2 "облегчен", работает только при активном импульсе ШИМ, а при КЗ дополнительно защищает вход мощного ключа 10 на полевом транзисторе VT1, который замыкает или размыкает цепь внешней нагрузки 13. Диод VD1 устраняет влияние самоиндукции при отключении ключом 10 цепи внешней нагрузки 14, а диод VD2 защищает устройство от переполюсовки клемм внешнего источника питания. Защита от КЗ осуществляется следующим образом. Сигнал логического уровня с делителя R9, R8 поступает на первый вход анализатора 8, на второй его вход поступает сигнал ШИМ. При отсутствии КЗ в нагрузке 14 на выходе анализатора 8 постоянно присутствует логическая единица, которая запирает диод VD6 и через ограничительный резистор R5 удерживает транзистор VT5 ключа 4 в открытом состоянии. Появление КЗ при активном сигнале ШИМ даст логический ноль на выходе анализатора 8, при этом закроется транзистор VT5 ключа 4 и откроется диод VD6 для коррекции сигнала ШИМ в сторону уменьшения активного управляющего сигнала к минимуму. После устранения КЗ любой передний фронт сигнала ШИМ через корректор 9 восстановит работу устройства. При отсутствии КЗ на входе DD1.4 сигнала о наличии КЗ/первый вход/ имеется логическая единица. Второй вход синхронизируется частотой F от генератора 1. Через резистор R6 периодически дополнительно перезаряжается конденсатор C2, при этом пилообразный сигнал для формирователя ШИМ линейно достигает своего минимума, что оптимизирует работу устройства в целом.

Испытания предлагаемого устройства показали, что оно позволяет эффективно управлять работой мощной нагрузки при значительных колебаниях питающего напряжения бортовой сети при значительных изменениях температурного режима устройства. При этом возникновение КЗ в цепи нагрузки не выводит из строя устройство и снятия питания из системы, после устранения короткого замыкания устройство продолжает нормальную работу.

Источники информации
1. Патент США N 4719395, кл. 318/349, 1988.

2. Патент США N 5268987, кл. 388/819, 1993.

3. Патент США N 3911341, кл. 318/341, 1975.

Устройство предназначено для управления исполнительными механизмами преимущественно на сельскохозяйственных машинах и комбинируемых с ними средствах. Устройство включает широтно-импульсный модулятор с генератором опорного сигнала, имеющий вход для подключения средства задания уровня нагрузки, блок ключей, мощный исполнительный ключ и узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции. Оно также снабжено формирователем пилообразного напряжения и ключевым стабилизатором напряжения. В цепь обратной связи последнего включен генератор тока, вход которого связан с выходом мощного исполнительного ключа. Узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции выполнен в виде логического корректора режима работы и логического анализатора наличия короткого замыкания. Такое выполнение устройства позволяет эффективно осуществлять управление нагрузкой и снимать напряжение с нее при наличии короткого замыкания. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электронное устройство управления, включающее широтно-импульсный модулятор с генератором опорного сигнала, имеющий вход для подключения средства задания уровня нагрузки, блок ключей, мощный исполнительный ключ и узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции, отличающееся тем, что оно снабжено формирователем пилообразного напряжения, ключевым стабилизатором напряжения, в цепь обратной связи которого включен генератор тока, вход которого связан с выходом мощного исполнительного ключа, узел коррекции сигнала широтно-импульсной модуляции выполнен в виде логического корректора режима работы и логического анализатора наличия короткого замыкания, а блок ключей выполнен в виде двухвходового логического ключа, выход которого посредством ключевого стабилизатора напряжения связан с входом мощного исполнительного ключа, при этом выход генератора опорного сигнала посредством последовательно включенных формирователя пилообразного напряжения и широтно-импульсного модулятора подключен к первому входу двухвходового логического ключа и непосредственно подключен к первому входу логического корректора режима работы, выход которого связан с входом широтно-импульсного модулятора и входом для подключения средства задания уровня нагрузки, при этом первый вход логического анализатора наличия короткого замыкания связан с выходом мощного исполнительного ключа, а второй - с выходом широтно-импульсного модулятора, а выход данного анализатора подключен ко второму входу двухвходового логического ключа и второму входу логического корректора режима работы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что логический анализатор наличия короткого замыкания выполнен в виде триггера Шмитта, к первому входу которого подключен выход делителя напряжения, связанный с выходом мощного исполнительного ключа, а ко второму входу - выход широтно-импульсного модулятора, причем выход триггера Шмитта подключен ко второму входу двухвходового логического ключа и второму входу логического корректора режима работы. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что логический корректор режима работы выполнен в виде триггера Шмитта, к первому входу которого подключен выход генератора опорного сигнала, ко второму через соответствующий ключевой элемент - выход логического анализатора наличия короткого замыкания, а выход данного триггера Шмитта подключен ко входу широтно-импульсного модулятора и через соответствующий ключевой элемент - ко входу для подключения средства задания уровня нагрузки.