СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА Российский патент 2008 года по МПК H03K7/08 

Изобретение относится к области импульсной техники и силовой электроники и может быть использовано в системах управления широтно-импульсными преобразователями вида и параметров электрической энергии, силовая схема которых является источником интенсивных электромагнитных помех импульсного характера.

Известен способ формирования широтно-импульсного сигнала, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, который сравнивают с сигналом управления и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления [1, 2].

Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость, что приводит к нарушению заданной функциональной зависимости между длительностью выходных импульсов и величиной сигнала управления при аддитивном воздействии на последний электромагнитных помех импульсного характера.

Известен способ формирования широтно-импульсного сигнала, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, определяют среднее значение сигнала управления на периоде модуляции, которое сравнивают с опорным сигналом и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и среднего значение сигнала управления [3, 4].

Недостатком известного способа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что модуляция длительности выходного импульса в текущем периоде осуществляется в зависимости от среднего значения сигнала управления, полученного на предыдущих периодах.

Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении помехоустойчивости и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что для сигнала управления задают полосу пропускания ΔS_у=(U_max-U_min) от максимально допустимого значения U_max до минимально допустимого значения U_min, контролируют мгновенные значения сигнала управления, а процедуру сравнения опорного сигнала осуществляют либо с мгновенными значениями сигнала управления, если последние находятся в пределах заданной полосы пропускания ΔS_у, либо со средним значением сигнала управления, если мгновенные значения последнего выходят за пределы заданной полосы пропускания ΔS_у.

На фиг.1 изображена схема широтно-импульсного модулятора, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - варианты задания полосы пропускания для сигнала управления.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит одноканальные реляторы 1, 2, 3, 4, фильтр нижних частот 5, генератор опорного сигнала 6, источник выходного напряжения 7. В состав одноканального релятора 1 (2, 3, 4) входит дифференциальный компаратор 8 (9, 10, 11 соответственно), управляющий замыкающим 12 (13, 14, 15 соответственно) и размыкающим 16 (17, 18, 19 соответственно) ключами переключательного канала. Одноканальные реляторы 1, 2 образуют амплитудный селекторный фильтр 20. Вход амплитудного селекторного фильтра 20 получен объединением прямых входов дифференциальных компараторов 8, 9 и переключательных входов замыкающего 12 и размыкающего 16 ключей одноканального релятора 1, а выход получен объединением переключательных выходов замыкающего 13 и размыкающего 17 ключей одноканального релятора 2. При этом замыкающий 12 и размыкающий 16 ключи одноканального релятора 1 соединены последовательно с размыкающим 17 и замыкающим 13 ключами соответственно одноканального релятора 2. Вход амплитудного селекторного фильтра 20 объединен с входом фильтра нижних частот 5 и является входом широтно-импульсного модулятора, на который поступает сигнал управления. К выходу амплитудного селекторного фильтра 20 подключены прямой вход дифференциального компаратора 10 и переключательный вход замыкающего ключа 14 одноканального релятора 3, а к выходу фильтра нижних частот 5 подключен переключательный вход размыкающего ключа 18 одноканального релятора 3. На инверсные входы дифференциальных компараторов 8, 9 подаются напряжения смещения U_min, U_max соответственно, разность которых определяет ширину полосы пропускания ΔS_у=(U_max-U_min) амплитудного селекторного фильтра 20. На инверсный вход дифференциального компаратора 10 подается напряжение смещения U_min, задающего порог переключения одноканального релятора 3 на нижней границе полосы пропускания амплитудного селекторного фильтра 20. Переключательный выход одноканального релятора 3, образованный объединением переключательных выходов замыкающего 14 и размыкающего 18 ключей, подключен к инверсному входу дифференциального компаратора 11 одноканального релятора 4. К прямому входу дифференциального компаратора 11 подключен генератор опорного сигнала 6. Переключательные входы замыкающего 15 и размыкающего 19 одноканального релятора 4 подключены к разноименным полюсам источника выходного напряжения 7. Переключательный выход одноканального релятора 4, полученный объединением переключательных выходов замыкающего 15 и размыкающего 19 ключей, является выходом широтно-импульсного модулятора, на котором формируется широтно-импульсный сигнал.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: S_у - сигнал управления на входе широтно-импульсного модулятора; - постоянная составляющая (среднее значение) сигнала управления, выделяемая на выходе фильтра нижних частот 5; S₀(t) - опорный сигнал развертывающего вида; U_min, U_max - напряжения смещения, задающие границы полосы пропускания амплитудного селекторного фильтра 20; U_шим - выходной широтно-импульсный сигнал.

Способ формирования широтно-импульсного сигнала заключается в следующем.

Одноканальный релятор 1 (2, 3, 4) воспроизводит базовые бинарные операции предикатной алгебры выбора (ПАВ), которыми являются ПАВ-дизъюнкция (V) и ПАВ-конъюнкция (Λ)

где y₁, y₂ - предметные переменные, действующее на переключательных входах замыкающего 12 (13, 14, 15) и размыкающего 16 (17, 18, 19) ключей соответственно; x₁, x₂ - предикатные переменные, действующие на компараторных входах дифференциального компаратора 8 (9, 10, 11); I(x) - единичная функция, равная нулю при x<0 или единице при x>0 и формируемая на выходе дифференциального компаратора 8 (9, 10, 11).

В базисе бинарных ПАВ-операций (1), (2) при выборе соответствующих вариантов отождествления предметных и предикатных переменных задается селекторная ПАВ-функция сигнала управления

Селекторная ПАВ-функция (3) принимает значения сигнала управления, т.е. Z=S_у, только в заданной полосе пропускания ΔS_y, ограниченной «сверху» максимальным U_max, а «снизу» минимальным U_min значениями. Во всех других случаях Z=0. Графическое изображение селекторной ПАВ-функции (3) при различных вариантах ограничения U_max, U_min сигнала управления S_у представлено на фиг.2. Как видно, полосу пропускания ΔS_y можно размещать в нужной области значений сигнала управления S_у, например, симметрично относительно нуля при реализации алгоритмов двухтактной ШИМ (фиг.2а), в области положительных значений с порогом (фиг.2б) или без порога (фиг.2в) при реализации алгоритмов однотактной ШИМ.

Аппаратурную реализацию селекторной ПАВ-функции (3) осуществляет амплитудный селекторный фильтр 20. Для этого одноканальному релятору 1 заданы следующие условия отождествления предметных и предикатных переменных

Надстрочный индекс в обозначении предметных и предикатных переменных здесь и далее по тексту соответствует номеру одноканального релятора на фиг.1.

При указанных условиях отождествления бинарные ПАВ-операции (1), (2) принимают одинаковые значения

а одноканальный релятор 1 осуществляет декомпозицию сигнала управления S_y по критерию достижения заданного уровня на две составляющие, одна из которых

формируется на переключательном выходе замыкающего ключа 12 при S_y≥U_min, a другая составляющая

формируется на переключательном выходе размыкающего ключа 16 при S_y<U_min.

Полученные составляющие используются в качестве предметных переменных одноканального релятора 2, для которого заданы следующие условия отождествления предметных

и предикатных переменных

При указанных условиях отождествления бинарные ПАВ-операции (1), (2) принимают вид

Как видно, ПАВ-функция (5) подавляет сигнал управления в диапазоне значений ΔS_у=(U_max-U_min), а ПАВ-функция (4) тождественна селекторной ПАВ-функции (3), поскольку характеризуется одинаковой шириной полосы пропускания ΔS_у=(U_max-U_min) для сигнала управления S_y.

Сигнал, соответствующий селекторной ПАВ-функции (4), формируется на переключательных выходах замыкающего 13 и размыкающего 17 ключей и, соответственно, на выходе амплитудного селекторного фильтра 20. При отсутствии электромагнитных помех, когда величина сигнала управления S_y не выходит за пределы полосы пропускания ΔS_y, сигнал на выходе амплитудного селекторного фильтра 20 равен по величине сигналу управления S_y. При аддитивном воздействии интенсивных электромагнитных помех импульсного характера положительной U_ЭП ⁺ или отрицательной U_ЭП ^- полярности, когда (S_y+U_ЭП ⁺)≥U_max или (S_y-U_ЭП ^-)≤U_min,сигнал на выходе амплитудного селекторного фильтра 20 равен нулю.

Одноканальный релятор 3 должен выбирать сигнал с выхода амплитудного селекторного фильтра 20 или с выхода фильтра низких частот 5. Поэтому для одноканального релятора 3 заданы следующие условия отождествления предметных

и предикатных переменных

При выбранных условиях отождествления бинарные операции (1), (2) принимают вид

и осуществляют альтернативный выбор либо S_y, либо .

На выходе фильтра нижних частот 5 формируется сигнал , равный по величине постоянной составляющей (среднему значению) сигнала управления S_y, т.е. повторяющий последний с точностью до пульсаций, обусловленных, как правило, аддитивным воздействием на сигнал управления S_y импульсных электромагнитных помех. Поэтому, требованию повышения помехоустойчивости широтно-импульсного преобразования отвечает ПАВ-функция (6), которую и реализует одноканальный релятор (3) при указанной на фиг.1 схеме подключения компараторных и переключательных входов. В результате, на переключательных выходах замыкающего 14 и размыкающего 18 ключей одноканального релятора 3 действует сигнал управления S_y при отсутствии импульсных электромагнитных помех или среднее значение сигнала управления при высоком уровне импульсных электромагнитных помех. При этом необходимый уровень помехозащищенности может корректироваться изменением значений напряжений смещения U_min, U_max в соответствии с реальной электромагнитной обстановкой, в которой функционирует предлагаемое устройство.

Для одноканального релятора 4 заданы условия отождествления предметных

и предикатных переменных

при которых бинарные ПАВ-операции (1), (2) воспроизводят процедуру однотактной широтно-импульсной модуляции

где E - величина напряжения на зажимах источника выходного напряжения 7; (- логическая связка «или»;

Соответственно, одноканальный релятор 4 в процессе воспроизведения бинарных ПАВ-операций (1), (2) выполняет широтно-импульсное преобразование, а на переключательных выходах замыкающего 15 и размыкающего 19 ключей формируется широтно-импульсный сигнал U_шим. Взаимозамещение предметных или предикатных переменных сопровождается взаимозамещением бинарных операций и, соответственно, инверсией выходного широтно-импульсного сигнала, т.е.

Таким образом, при отсутствии импульсных электромагнитных помех сигнал управления S_y через амплитудный селекторный фильтр 20 и замыкающий ключ 14 одноканального релятора 3 поступает на инверсный вход дифференциального компаратора 11 одноканального релятора 4. На прямой вход дифференциального компаратора 11 поступает опорный сигнал S₀(t) от генератора опорного сигнала 6. В результате сравнения опорного сигнала S₀(t) и сигнала управления S_y осуществляется преобразование τ_и=f(S_y), где τ_и - длительность выходного импульса на периоде модуляции. Одновременно на выходе фильтра нижних частот 5 формируется сигнал , равный среднему значению (постоянной составляющей) сигнала управления S_y. Любые изменения, включая и скачкообразные, сигнала управления S_y в пределах заданной полосы пропускания ΔS_y=(U_max-U_min) адекватно отражаются на длительности выходного импульса уже в текущем периоде модуляции, т.е. достигается предельное для выбранной частоты быстродействие широтно-импульсного преобразования.

В условиях интенсивных электромагнитных помех U_ЭП ⁺ или U_ЭП ^-, амплитудный селекторный фильтр 20 блокирует прохождение искаженного сигнала (S_y+U_ЭП ⁺) и/или (S_y-U_ЭП ^-), одновременно выходной сигнал фильтра нижних частот 5 через замыкающий ключ 14 одноканального релятора 3 передается на инверсный вход дифференциального компаратора 11. В результате, одноканальным релятором 4 осуществляется преобразование причем режим широтно-импульсного преобразования практически не изменится, т.е., если величина во время аддитивного воздействия импульсной электромагнитной помехи сохранится равной величине сигнала управления S_y до указанного воздействия. Для этого постоянная времени фильтра нижних частот 5 должна существенно, на порядок и более, превышать продолжительность импульсной электромагнитной помехи. Увеличение постоянной времени не отразится на динамических характеристиках широтно-импульсного преобразования, поскольку прекращение импульсных электромагнитных помех сопровождается возвратом к режиму функционирования без фильтра нижних частот 5 в цепи сигнала управления.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить положительный эффект, который заключается в повышении помехоустойчивости без ухудшения динамических характеристик широтно-импульсного преобразования. Эффективность предлагаемого способа тем выше, чем больше скважность импульсных электромагнитных помех, воздействующих на сигнал управления.

Источники информации

1. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Миронов В.А. Классификационные критерии систем управления вентильными преобразователями // Электротехника. - 1982. - №2. - С.9-12.

2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие. - Изд. 2-е испр. и доп.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.(рис.5.2.1, рис.12.6.1).

3. Исхаков А.С., Ушаков А.В. Астатическая система регулирования выпрямителя с емкостным фильтром // Электричество. - 1989. - №7. - С.88-90.

4. Малафеев С.И., Мамай B.C. Широтно-импульсный преобразователь интегрирующего типа // Электротехника. - 1993. - №2. - С.48-51.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в системах управления широтно-импульсными преобразователями. Достигаемый технический результат-повышение помехоустойчивости и быстродействия. Способ характеризуется тем, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, значение сигнала управления на периоде модуляции сравнивают с опорным сигналом и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и среднего значения сигнала управления, для которого задают полосу пропускания AS_y=(U_max-U_min) от максимально допустимого значения U_max до минимально допустимого значения U_min, сравнение опорного сигнала осуществляют либо с мгновенными значениями сигнала управления, если последние находятся в пределах заданной полосы пропускания AS_y, либо со средним значением сигнала управления, если мгновенные значения последнего выходят за пределы заданной полосы пропускания AS_y. 2 ил.

Способ формирования широтно-импульсного сигнала, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, определяют среднее значение сигнала управления на периоде модуляции, которое сравнивают с опорным сигналом, и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и среднего значения сигнала управления, отличающийся тем, что для сигнала управления задают полосу пропускания ΔS_y=(U_max-U_min) от максимально допустимого значения U_max до минимально допустимого значения U_min, контролируют мгновенные значения сигнала управления, а процедуру сравнения опорного сигнала осуществляют либо с мгновенными значениями сигнала управления, если последние находятся в пределах заданной полосы пропускания ΔS_y, либо со средним значением сигнала управления, если мгновенные значения последнего выходят за пределы заданной полосы пропускания ΔS_y, ΔS_y - ширина полосы пропускания сигнала управления; U_max - максимально допустимое значение сигнала управления; U_min - минимально допустимое значение сигнала управления.