МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H03K17/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в многоканальных схемах управления нагрузкой, например, двигателями, где требуется двухполюсная коммутация с возможностью подключения к нагрузке разных полюсов источника питания (мостовая схема подключения нагрузки).

Известен многоканальный коммутатор напряжения [1], содержащий в каждом канале ключ, блок нагрузки, мультиплексор, запоминающее устройство.

Недостаток этого коммутатора состоит в том, что он не обеспечивает двухполюсную коммутацию нагрузки и не может быть использован для управления, например, двигателями, где необходимо их подключение к коммутатору, выполненному по мостовой схеме.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является многоканальный коммутатор напряжения [2], содержащий устройство формирования сигналов управления, первый и второй ключи, 2m (m=1, 2, ...) параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные коммутатор положительного и коммутатор отрицательного потенциала напряжения, при этом между общими точками коммутаторов каждых двух цепей подключена нагрузка.

Недостатком этого коммутатора напряжения является низкая надежность. Так при отказе любого элемента коммутатор теряет свою работоспособность.

Задача изобретения - повышение надежности.

Решение этой задачи достигается тем, что в многоканальный коммутатор напряжения, содержащий устройство формирования сигналов управления, первый и второй ключи, 2m (m=1, 2, ...) параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные коммутатор положительного и коммутатор отрицательного потенциала напряжения, при этом между общими точками коммутатора положительного и коммутатора отрицательного потенциала напряжения каждых двух цепей подключена нагрузка и индикатор состояния нагрузки, а коммутируемые входы первого и второго ключей соединены соответственно с шиной положительного и с шиной отрицательного потенциала напряжения, входная шина соединена с входом устройства формирования сигналов управления, сигнальные входы которого подключены к соответствующим выходам индикаторов состояния нагрузки, а выходы устройства формирования соединены с соответствующими управляющими входами коммутаторов положительного и коммутаторов отрицательного потенциала напряжения, дополнительно введен аналогичный первому второй многоканальный коммутатор напряжения, при этом каждый из них дополнительно содержит модель-подобие устройства формирования сигналов управления, вход которого подключен к входной шине, выход соединен с управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные входы модели соединены с соответствующими выходами индикаторов состояния нагрузки, а дополнительный вход соединен с информационным выходом устройства формирования сигналов управления, при этом выходы первого и второго ключей соединены соответственно с общей точкой коммутаторов положительного и общей точкой коммутаторов отрицательного потенциала напряжения.

Устройство формирования сигналов управления, содержащее формирователь управляющих сигналов, вход которого соединен с входной шиной, дополнительно содержит первый элемент ИЛИ на 2m входов и 2m элементов исключающее ИЛИ, первые входы которых соединены с соответствующими информационными входами, а вторые входы соединены с соответствующими выходами формирователя управляющих сигналов, при этом выходы элементов исключающее ИЛИ соединены с соответствующими 2 m входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к информационному выходу.

Модель-подобие устройства формирования сигналов управления дополнительно содержит второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с дополнительным входом, второй вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход второго элемента ИЛИ соединен с выходной шиной.

На фиг.1 приведена блок-схема многоканального коммутатора напряжения, на фиг.2 приведена блок-схема устройства формирования сигналов управления, на фиг.3 приведена блок-схема модели-подобия устройства формирования сигналов управления.

На фиг.1: 1 - входная шина, 2 - устройство формирования сигналов управления, 3 - модель - подобие устройства формирования сигналов управления, 4, 5, 6 и 7 - соответственно первый, второй, (2m-1)-й и 2m-й коммутаторы положительного потенциала напряжения, 8, 9, 10 и 11 - соответственно первый, второй, (2m-1)-й и 2m-й коммутаторы отрицательного потенциала напряжения, 12 и 13 - соответственно первый и m-й индикаторы состояния нагрузки, 14 и 15 - первая и m-я нагрузки, 16 - первый ключ, 17 - второй ключ, 18 - шина положительного потенциала напряжения, 19 - шина отрицательного потенциала напряжения, 20 - первый многоканальный коммутатор напряжения, 21 - второй многоканальный коммутатор напряжения.

На фиг.2: 1 - упомянутая входная шина, 22 - формирователь управляющих сигналов, 23, 24, 25 и 26 - первый, второй, (2m-1)-й и 2 m-й элемент исключающее ИЛИ, 27 - первый элемент ИЛИ на 2m входов, 28 - информационный выход.

На фиг.3: 1 - упомянутая входная шина, 22 - упомянутый формирователь управляющих сигналов, 23, 24, 25 и 26 - упомянутые первый, второй, (2m-1)-й и 2m-й элемент исключающее ИЛИ, 27 - упомянутый первый элемент ИЛИ на 2m входов, 29 - второй элемент ИЛИ, 30 - выходная шина.

На фиг.1 входная шина 1 соединена с входами устройства формирования сигналов управления 2 первого 20 и второго 21 многоканального коммутатора напряжения, с входами модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого 20 и второго 21 многоканальных коммутаторов напряжения. В каждом многоканальном коммутаторе напряжения параллельно соединены 2m цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные коммутатор положительного 4 (5, 6 или 7) и коммутатор отрицательного 8 (9, 10 или 11) потенциала напряжения, между общими точками коммутатора положительного 4 (5, 6 или 7) и коммутатора отрицательного 8 (9, 10 или 11) потенциала напряжения каждых двух цепей подключена нагрузка 14 (15) и индикатор состояния нагрузки 12 (13). Коммутируемые входы первого 16 и второго 17 ключей соединены соответственно с шиной положительного 18 и с шиной отрицательного 19 потенциала напряжения. Сигнальные входы устройства формирования сигналов управления 2 и модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 подключены к соответствующим выходам индикаторов состояния нагрузки 12 (13), а выходы устройства формирования 2 соединены с соответствующими управляющими входами коммутаторов положительного 4, 5, 6 и 7 и коммутаторов отрицательного 8, 9, 10 и 11 потенциала напряжения. Дополнительный вход модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 соединен с информационным выходом устройства формирования сигналов управления 2, выходы первого 16 и второго 17 ключей соединены соответственно с общей точкой коммутаторов положительного 4, 5, 6 и 7 и общей точкой коммутаторов отрицательного 8, 9, 10 и 11 потенциала напряжения.

На фиг.2 шина управления 1 соединена с входом формирователя управляющих сигналов 22, выходы которого соединены со вторыми входами 2 m элементов исключающее ИЛИ 23, 24, 25 и 26, первые входы которых соединены с информационными входами. Выходы элементов исключающее ИЛИ 23, 24, 25 и 26 соединены с соответствующими 2 m входами первого элемента ИЛИ 27, выход которого подключен к информационному выходу 28.

На фиг.3 шина управления 1 соединена с входом формирователя управляющих сигналов 22, выходы которого соединены со вторыми входами 2 m элементов исключающее ИЛИ 23, 24, 25 и 26, первые входы которых соединены с информационными входами. Выходы элементов исключающее ИЛИ 23, 24, 25 и 26 соединены с соответствующими 2m входами первого элемента ИЛИ 27, выход которого подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ 29, первый вход которого соединен с дополнительным входом, а выход второго элемента ИЛИ 29 соединен с выходной шиной 30.

Многоканальный коммутатор напряжения работает следующим образом. Будем предполагать, что в качестве нагрузки 14 (15) используются двигатели, обмотка управления которых подключается к коммутатору напряжения по мостовой схеме, при этом в зависимости от того, какие плечи мостовой схемы включены, ток через обмотку протекает в том или другом направлении. Если, например, включены коммутаторы 4 и 9, то ток через нагрузку 14 протекает в одном направлении, а если включены коммутаторы 5 и 8 то ток через нагрузку протекает в противоположном направлении. Индикатор состояния нагрузки 12 (13) имеет два выхода, каждый из которых регистрирует направление протекающего тока. Кроме того, будем предполагать, что нагрузка представляет собой резервированное устройство, например, два синхронно включаемых на общий дифференциал двигателя, один из которых управляется коммутаторами из первого блока, а второй - коммутаторами из второго блока, при этом считаем, что каждый из двигателей самостоятельно решает поставленную задачу управления.

Выходные сигналы C₁₁, C₁₂, ...C_{1(2m 1)},_{и C1(2m) индикаторов состояния нагрузки 12 (13) (первый символ индекса «1» означает принадлежность к первому многоканальному коммутатору напряжения 20, второй символ индекса «1, 2,... 2m» означает порядковый номер выходного сигнала) поступают на сигнальные входы устройства формирования сигналов управления 2 первого многоканального коммутатора напряжения 20, выходные сигналы C21, C22, ... C2(2m-1) и C2(2m) индикаторов состояния нагрузки 12 (13) поступают на сигнальные входы устройства формирования сигналов управления 2 второго многоканального коммутатора напряжения 21. Выходные сигналы B11, B12, ...B1(2m-1). B1(2m) (первый символ индекса «1» означает принадлежность к первому многоканальному коммутатору напряжения 20, второй символ индекса «1, 2, ... 2m» означает порядковый номер выходного сигнала) устройства формирования сигналов управления 2 поступают на управляющие входы коммутаторов положительного 4, 5, 6 и 7 и коммутаторов отрицательного 8, 9, 10 и 11 потенциалов напряжения первого многоканального коммутатора напряжения 20.. Выходные сигналы B21, B22, B2(2m-1). B2(2m) устройства формирования сигналов управления 2 поступают на управляющие входы коммутаторов положительного 4, 5, 6 и 7 и коммутаторов отрицательного 8, 9, 10 и 11 потенциалов напряжения второго многоканального коммутатора напряжения 21. При поступлении входного сигнала по входной шине 1 устройство формирования сигналов управления 2 каждого из многоканальных коммутаторов напряжения 20 и 21 вырабатывает необходимые сигналы B1i(i=1, 2, ... 2m) и B2i, которые по заданному временному закону подключают нагрузку к источнику напряжения. В этом случае индикаторы состояния нагрузки 12 (13) формируют соответственно сигналы и C1i и С2i. Устройство формирования сигналов управления 2 каждого из многоканальных коммутаторов напряжения 20 и 21 (см. фиг.2) производит сравнение сигнала управления B1i и сигнала индикатора состояния нагрузки C1i (сигнала обратной связи) в первом многоканальном коммутаторе напряжения 20 и сравнение сигнала управления B2i и сигнала индикатора состояния нагрузки C2i, во втором многоканальном коммутаторе напряжения 21. При исправной работе обоих многоканальных коммутаторов напряжения сигналы B1i и C1i, B2i и C2i равны. В этом случае все выходные сигналы элементов исключающее ИЛИ 23, 24, 25 и 26 A1i первого многоканального коммутатора напряжения 20 и сигналы A2i второго многоканального коммутатора напряжения 21 равны нулю. Тогда выходной сигнал первого элемента ИЛИ 27 R1 первого многоканального коммутатора напряжения 20 и выходной сигнал первого элемента ИЛИ 27 R2 второго многоканального коммутатора напряжения 21 также равны нулю.}

Пусть выходные сигналы формирователя 22 модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого многоканального коммутатора напряжения 20 обозначаются символом B_3i, а выходные сигналы формирователя 22 модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 второго многоканального коммутатора напряжения 21 символом B_4i. С учетом изложенного при исправной работе в силу равенства сигналов B_3i, и C_1i выходные сигналы элементов исключающее ИЛИ 23, 24, 25 и 26 D_1i модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого многоканального коммутатора напряжения 20 равны нулю. По той же причине в силу равенства сигналов B_4i и C_2i, и сигналы D_2i, второго многоканального коммутатора напряжения 21 равны нулю. Тогда выходной сигнал R₃ первого элемента ИЛИ 27 модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого многоканального коммутатора напряжения 20 и выходной сигнал R₄ первого элемента ИЛИ 27 второго многоканального коммутатора напряжения 21 также равны нулю. В этом случае выходной сигнал S₁ второго элемента ИЛИ 29 модели-подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого многоканального коммутатора напряжения 20 и выходной сигнал S₂ второго многоканального коммутатора напряжения 21 равны нулю. Считаем, что при S₁=0 (S₂=0) формируется управляющий сигнал первого 16 и второго 17 ключей, при котором они замкнуты. Задаваемая входной шиной 1 программа управления нагрузкой будет реализовываться синхронно в обоих блоках, при этом включаются оба дублирующих друг друга двигателя.

Сформулируем условия формирования выходных сигналов R₁, R₃ и S₁ первого многоканального коммутатора напряжения 20 и сигналов R₂, R₄ и S₂ второго многоканального коммутатора напряжения 21. С учетом сказанного имеем

Рассмотрим возможные случаи отказа элементов в каждом из многоканальных коммутаторов напряжения. Пусть, например, отказало устройство формирования сигналов управления 2 в первом многоканальном коммутаторе напряжения 20 таким образом, что оно формирует ложную команду B₁₁=1. В этом случае будет включен коммутатор положительного 4 и коммутатор отрицательного 9 потенциала напряжения и как следствие будет сформирован сигнал C₁₁=1 индикатора состояния нагрузки 12. В силу исправности модели-подобия устройства формирования 3 выходные сигналы формирователя управляющих сигналов 22 B_3i,=0, а так как C₁₁=1, то из (2) и (3) имеем R₃=1, S₁=1. Выходной сигнал модели-подобия устройства формирования 3 S₁=1 производит отключение двигателей первого неисправного многоканального коммутатора напряжения 20 от источника напряжения посредством закрытия ключей 16 и 17, что приводит к исключению из управления неисправного многоканального коммутатора напряжения.

Пусть отказало устройство формирования сигналов управления 2 в первом многоканальном коммутаторе напряжения 20 таким образом, что оно не формирует команду B₁₁=1. В этом случае сигнал индикатора состояния нагрузки 12 C₁₁=0, так как коммутаторы 4 и 9 остались не включенными. В силу исправности модели-подобия устройства формирования 3 выходной сигнал формирователя управляющих сигналов 22 B₃₁=1, а так как C₁₁=0, то из (2) и (3) имеем R₃=1, S₁=1. Выходной сигнал модели-подобия устройства формирования 3 S₁=1 производит отключение двигателей первого неисправного многоканального коммутатора напряжения 20 от источника напряжения посредством закрытия ключей 16 и 17, что приводит к исключению из управления неисправного многоканального коммутатора напряжения.

Пусть отказал, например, коммутатор 4 (отказ типа «обрыв»). В этом случае при формировании сигнала В₁₁=1 включение нагрузки 14 не произойдет, выходной сигнал индикатора состояния нагрузки 12 С₁₁=0. Из условий (1), (2) и (3) следует, что выходной сигнал устройства формирования сигналов управления 2 R₁=1, выходной сигнал модели-подобия устройства формирования 3 S₁=1. Этот сигнал производит отключение двигателей первого неисправного многоканального коммутатора напряжения 20 от источника напряжения посредством закрытия ключей 16 и 17, что приводит к исключению из управления неисправного блока.

Пусть отказала модель-подобие устройства формирования сигналов управления 3. Если этот отказ не приводит к формированию выходного сигнала S₁=1, то такой отказ не влияет на работоспособность многоканального коммутатора напряжения 20. Если этот отказ приводит к формированию выходного сигнала S₁=1, то этот сигнал производит отключение двигателей первого неисправного многоканального коммутатора напряжения 20 от источника напряжения посредством закрытия ключей 16 и 17, что приводит к исключению из управления неисправного блока.

Как следует из приведенного анализа, любой единичный отказ приводит к исключению из управления неисправного многоканального коммутатора напряжения и система управления продолжает исправно функционировать со вторым исправно работающим многоканальным коммутатором напряжения.

Оценим надежность известного [2] и предлагаемого устройства. Пусть надежность известного устройства равна Р₁. По сравнению с известным устройством каждый блок предлагаемого многоканального коммутатора дополнительно содержит модель-подобие устройства формирования сигналов управления. Пусть его надежность равна P₂. Надежность предлагаемого устройства Р можно оценить в виде

Коэффициент повышения надежности Q определим в виде отношения вероятности отказа q₁ известного решения и вероятности отказа q предлагаемого решения. В этом случае

Оценим коэффициент повышения надежности Q для Р=0,9, P₂=0,95. В этом случае Р=(P₁·P₂)²+2P₁·P₂(1-P₁·P₂)=0,979, q=0,0121, q₁=0,1,

Q=0,1/0,0121=8,26

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, элементы равнозначности, световые индикаторы, элементы ИЛИ, коммутаторы.

Литература

1. Патент Российской Федерации №2210182, кл. Н03К 17/08, 2003 г.

2. Патент Российской Федерации №2214041, кл. Н03К 17/08, 2003 г.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в резервированных системах управления, где требуется коммутация обмоток управления резервированных двигателей, подключение которых к коммутатору напряжения производится по мостовой схеме. При этом ни один выход из строя какого-либо элемента не должен приводить к нарушению работоспособности системы управления. Технический результат заключается в повышении надежности. Многоканальный коммутатор напряжения содержит два блока, каждый из которых включает в себя устройство формирования сигналов управления, первый и второй ключи, 2m (m=1, 2, ...) параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные коммутатор положительного и коммутатор отрицательного потенциала напряжения, при этом введенный в каждый блок модель-подобие устройства формирования сигналов управления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоканальный коммутатор напряжения, содержащий устройство формирования сигналов управления, первый и второй ключи, 2m (m=1, 2, ...) параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные коммутатор положительного и коммутатор отрицательного потенциала напряжения, при этом между общими точками коммутатора положительного и коммутатора отрицательного потенциала напряжения каждых двух цепей подключена нагрузка и индикатор состояния нагрузки, а коммутируемые входы первого и второго ключей соединены соответственно с шиной положительного и с шиной отрицательного потенциала напряжения, входная шина соединена с входом устройства формирования сигналов управления, сигнальные входы которого подключены к соответствующим выходам индикаторов состояния нагрузки, а выходы устройства формирования соединены с соответствующими управляющими входами коммутаторов положительного и коммутаторов отрицательного потенциала напряжения, отличающийся тем, что в него дополнительно введен аналогичный первому второй многоканальный коммутатор напряжения, при этом каждый из них дополнительно содержит модель - подобие устройства формирования сигналов управления, вход которого подключен к входной шине, выход соединен с управляющими входами первого и второго ключей, информационные входы модели - подобия соединены с соответствующими выходами индикаторов состояния нагрузки, а дополнительный вход соединен с информационным выходом устройства формирования сигналов управления, при этом выходы первого и второго ключей соединены соответственно с общей точкой коммутаторов положительного и общей точкой коммутаторов отрицательного потенциала напряжения.2. Многоканальный коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что устройство формирования сигналов управления, содержащее формирователь управляющих сигналов, вход которого соединен с входной шиной, дополнительно содержит первый элемент ИЛИ на 2m входов и 2m элементов исключающее ИЛИ, первые входы которых соединены с соответствующими информационными входами, а вторые входы соединены с соответствующими выходами формирователя управляющих сигналов, при этом выходы элементов исключающее ИЛИ соединены с соответствующими 2m входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к информационному выходу.3. Многоканальный коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что модель - подобие устройства формирования сигналов управления дополнительно содержит второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с дополнительным входом, второй вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход второго элемента ИЛИ соединен с выходной шиной.