Автоматический регулятор частоты Советский патент 1984 года по МПК H02P9/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическому регулированию частоты генерируе мого электроагрегатом переменного на пряжения, и может быть использовано для автоматического регулирования частоты автономных источников электр питания. Известны цифровые автоматические регуляторы частоты, обладающие доста точно высокой точностью регулировани частоты за счет использования астати ческого принципа регулирования частоты {|l . Однако эти устройства для получения астатичедкого принципа регулирования частоты используют интегрирующий электромеханический исполнительный элемент, а именно электродвигатель. Использование же электродвигателя накладывает значительные ограни чения на быстродействие регулировани частоты. Кроме того, такая система регулирования частоты является сложной, так как обычно требует для воздействия на систему топливоподачи кроме самого электродвигателя еще целого ряда механических элементов {редуктор, систему тяг и т.п.), что существенно снижает нещежность системы и ограничивает сферу применения таких устройств из-за сложности и гр моздкости. Известен регулятор частоты, позво лякяций использовать в качестве исполнительных элементов более простые и более быстродействукщие электромеханические устройства, например тяговые электромагниты 2 . Однако точность поддержания задан ного значения частоты у этих регуляторов зависит от множества внешних факторов, например величины нагрузки, температуры обмоток и окружающей среды и т.д. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является регулятор частоты, содержащий входной формирователь прямоугольных импульсов, генератор эталонной частоты,два логических элемента И, два счетчика импульсов, одновибратор, параллельный синхронный регистр и блок управления коэффициентом пересчета, при этрм вход начальной установки первого счетчика импульсов подключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсов через одновибратор, а счетный вход - к выходу пер вого логического элемента И, счетный вход второго счетчика импульсов подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты з . Известное устройство определяет отклонениеЗаданной величины периода генерируекюго напряжения от фактиче ской и в зависимости от величины это го от| лонения формирует импульсы вы сокой частоты следования со скважностью, пропорциональной величине отклонения. При этом определенной величине отклонения соответствует строго определенная скважность. По принципу такое регулирование частоты является статическим, т.е. величина (скважность) управляющего сигнала строго пропорциональна отклонению. В то же время изменение усилия на электромагните из-за температурного ухода параметров элементов электромагнита (сопротивление катушки,жесткость пружины и т.п. ),колебаний напряжения питания электромагнита,смещение положения электромагнита от оптимальной настройки и изменение параметров системы топливоподачи двигателя приводят к ошибке регулирования частоты. Точность поддержания заданной частоты зависит еще в этом случае и от величины нагрузки, так как пр каждой определенной величине нагрузки для получения заданной величины частоты якорь электромагнита должен занимать соответствующее именно этой нагрузке положение, в то время как положение электромагнита (управляющий сигнал на нем) пропорционально величине отклонения частоты. Цель изобретения - повышение точности регулирования частоты путем исключения влияния на точность поддержания заданного -значения частоты внешних факторов (нагрузки, температурного ухода параметров исполнительного элемента, изменения параметров системы топливоподачи, температурного влияния и т.п.). Поставленная цель достигается тем, что автоматический регулятор частоты, содержащий входной формирователь прямоугольных импульсов, генератор импульсов эталонной частоты, одновибратор, первый счетчик импульсов, вход начальной установки которого подключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсов через одновибратор, а счетный вход к выходу первого логического элемента И, второй счетчик импульсов, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты, и второй логический элемент И, снабжен делителем частоты, логическим элементом И-НЕ, который подключен своими входами к выходам первого счетчика импульсов, а выходом - к одному входу первого логического элемента И, другой вход которого подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты через делитель частоты, двумя инверторами, первый из которых подключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсов, а второй - к выходу первого логического элемента И-НЕ, реверсивным счетчиком импульсов, вторым логическим элементом И-НЕ, логическим элементом ИЛИ, входы которых попарно объединены и подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, логическую схему сравнения на равно, одни входы сравнения которой подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, а другие - к выходам второго счетчика импульсов, третим логическим элементом И, выход которого подключен к входу обратного счета реверсивного счетчика импульсов, вход прямого сче та которого подключен к выходу второ .го логического элемента И, вторым одновибратором и выходным RS-триггером, R-вход которого подключен к выходу логической схемы сравнения на равно, as- вход - к выходу последнего разряда второго счетчика через второй одновибратор, при этом первый вход второго логического, элемента И подключен к выходу первого логическо го элемента И-НЕ, второй вход - к выходу первого инвертора, третий - к выходу второго инвертора, а четверты соединен с четвертым входом третьего логического элемента И, третий вход которого соединен с входом второго инвертора, второй вход - с входом первого инвертора, а первый вход с выходом логического элемента ИЛИ, причем объединенные четвертые входы первого и второго логических элементов И подключены или к выходу генера тора импульсов эталонной частоты через дополнительно введенный делитель частоты, или к одному из выходов раз рядов второго счетчика импульсов. Регулятор частоты формирует изменяющийся выходной сигнал.(управляющий исполнительным электромагнитом), который изменяется в соответствующую сторону до тех пор, пока исполнитель ный элемент не изменит положение сво ей рабочей части так, чтобы отклоне ние частоты стало равно нулю. На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 и 3 - вре менные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства. Устройство содержит входной форми рователь 1 прямоугольных импульсов, преобразовывающий синусоидальное входное напряжение, генерируемое объ ектом управления, в прямоугольные импульсы длительностью в период (или полупериод), генератор 2 импульсов эталонной частоты, два счетчика 3 и 4 импульсов прямого счета, первый из которых имеет вход начальной.установки НУ, реверсивный счетчик 5 импульсов с входом прямого счета 4-Т и обратного -Т, выходной RS-триггер б, . два одновибратора 7 и 8, делитель 9 частоты, два инвертора 10 и 11, три логических элемента и 12-14, два логических элемента И-НЕ 15 и 16, логический элемент ИЛИ 17, логическую схему 18 сравнения на равно. Выход RS-триггера 6 через усилитель подключен к исполнительному элементу (электромагниту), регулирующему подачу топлива. При этом четвертые входы элементов И 14 и 13 объединены между собой и подключены к одному из выходов разрядов Q счетчика 4, в другом варианте исполнения этой части регулятора объединенные между собой четвертые входы элементов И 14 и 13 подключены к выходу генератора 2. Регулятор частоты работает следующим образом. Электроагрегат вырабатывает напряжение и с частотой f (период Т l/f), которое преобразовывается формирователем 1 -по переходу синусоиды через нулевое значение в прямоугольные импульсы длительностью Т/2. При выполнении формирователя в виде триггераформирователя прямоугольных импульсов длительностью Т и периодом 2Т (фиг.2) в последнем случае сначала формируются импульсы с длительностью Т/2 и периодом Т и затем делятся на два триггером, в результате чего триггер-формирователь отформировывает импульсы длительностью Т и периодом 2 Т. По фронту (переднему) импульсов с выхода формирователя 1 одновибратор 7 формирует короткий импульс, устанавливающий счетчик 3 в исходное состояние по его входу НУ. По количеству импульсов t с генератора 2 эталонной частоты поступающих на счетный вход Т через делитель 9 и логический элемент И 12, счетчик 3 отсчитывает от начального состояния (нулевого) число и пyльcoв, соответствуюгцее периоду Т заданной частоты f,. По достижении счетчиком 3 заданного числа импульсов сигнал на выходе элемента И 12 переходит из состояния логической единицы в логический ноль, отформировывая таким образом импульс Т.. Для этого к входам элемента 15 подключаются только те выходы счетчика 3, которые принимают состояние логической единицы при достижении заданного числа соответствующего Т, посде чего поступление счетных импульсов t2 на счетчике 3 запрещается логическим элементом И 12. Элементы И 13 и 14 вьщеляют с помощью инверTcSpoB 10 и 11 интервал отклонения Т от Тд с учетом знака отклонения, т.е. элемент И 14 выделяет интервал Ci Т - при Т Т,т , а элемент И 13 интервал 2 Т,.- Т при . В течение интервалов t, на +Т вход реверсивного счетчика 5 поступают счетные импульсы tj, где t - период следования импульсов, полученных делением дополнительным счётчиком 19 илисчетчиком 4 импульсов с периодом следования t, , формируемых генератором 2, а в течение интервала 1 - на -Т вход счетчика 5. Таким образом, при наличии отклонения д Т Т - Тд на соответствующий знаку отклонения дТ вход +Т или -Т счетчика 5 поступают счетные импульсы. В результате при одном знаке ДТ состояния счетчика 5 увеличиваются со скоростью, П опорциональной величине дТ и коэффициенту деления делителя 19 (или используемого выхода счетчика 4) и частоты генератора 2. При противоположном знаке отклонения Д.Т состояния счетчика 5 аналогичным образом умен-ьшаются. Увеличение или уменьшение состояния счетчика происходит до тех пор, пока не наступит ситуация, когда ДТ О, либо пока счетчик 5 не достигнет одного из своих предельных состояний, максимального или минимального (например, все в 4ходы счетчика 5 в единичном со стоянии и все входы в нулевом состоя При достижении максимального состояния (все входы в единичном состо нии) счетчика 5 элемент И-НЕ 16 выдает уровень логического нуля, запрещая таким образом прохождение сче тных импульсов, увеличивающих состоя ние счетчика 5 через элемент И 14, При достижении минимального состо .яния (все выходы или их частьв нуле вых состояниях) счетчика 5эЛемент ИЛИ 17 выдает уровень логического ну ля, запрещая таким образом прохождение уменьшающих состояние счетчика 5 счетных импульсов через элементы И 13, Элементы 4,6,8 и 18 выполняют фун кцию получения на выходе импульсов достаточно высокой частоты следовани (например, 300-500 Гц) с постоянным .периодом следования и длительностью импульса, пропорциональной состоянию выходов накапливающего счетчика 4, Для Э.ТОГО импульсы с генератора 2 делятся до получения заданной частоты следования (фиг,3), например 300500 Гц. По переднему фронту полученных импульсов одновибратор 8 формирует короткие импульсы, устанавливающие RS-триггер 6 в единичное состоя ние. Счетчик 4 отсчитывает счетные импульсы, и в момент, когда состояния выходов счетчика 4 полностью совпадают с состоянием выходов реверсивно го счетчика 5, схема 18 сравнения формирует импульс, устанавливающийRS-триггер б в нулевое состояние,ТаКИМ образом, на прямом выходе тригге ра бформируется импульс, длительност которого пропорциональна состоянию счетчика 5, причем чем большему числу соответствует состояние счетч11ка 5, тем больше длительность полученного импульса, и при максимальном состоянии счетчика 5 этот импульс превращается в постоянный уровень логической единицы, а при минимальном в постоянный уровень логического нуля. ПРИ использовании инверсного выхода зависимость обратно пропорциональная . Сигнал с выхода триггера 6 поступает через усилитель на исполнительный электромагнит. Таким образом, при наличии отклонения AT одного знака (положительного) счетчик 5 увеличивает свое состояние, соответственно длительность импульса на выходе триггера б увеличивается (а при использовании инверсного выхода триггера б длительность импульса уменьшается, усилие уменьшается), в результате система топливоподачи увеличивает подачу топлива, частота повышается, величина периода Т уменьшается. Так происходит до тех пор, пока не будет полностью отработано в ноль отклонение ДТ, т.е, станет и f fqt . При наличии отклонения дТ другого знака (отрицательного) счетчик 5 аналогичным образом уменьшает свое состояние, уменьшая длительность импульса на прямом выходе триггера 19 (увеличивая длительность импульса на инверсном выходе) и .изменяя тем самым усилие электромагнита таким образом, чтобы уменьшить частоту f до тех пор, пока не T,e,f Т О, станет Т Т Таким образом, устройство обеспечивает отработку отклонения генерируемой частоты от заданного значения до тех пор, пока это отклонение не станет равно нулю. При этом используется только один инфopмaциoнJ ый сигнал - частота. Соответственно,так как отработка.отклонения частоты осуществляется до нуля и в качестве входной информации используется только один параметр - частота, влияние внешних факторов, таких как нагрузка, точность установки электромагнитаj, изменение параметров систеьщ топливоподачи, напряжения питания катушки электромагнита, температурного ухода, элементов CHCTeNM регулирования, не может изменить точность отработки отклонения. Точность отработки отклонения регулятором частоты определяется только стабильностью частоты генератора 2, которую легко обеспечить при использовании генератора с кварцевой стабилизацией частоты, а также дискретностью измерения частоты и дискретностью изменения выходного сигнала, которые могут быть заданы любым выбором соответствующих емкостей счетчиков и частоты генератора 2. Усилие электромагнита изменяется до

тех пор, .пока отклонение не будет отработано до нуля. Причем скорость отработки отклонения пропорциональна величине отклонения и определяется частотой генератора эталонных импульсов 2, коэффициентом деления дополнительного делителя (или соответствующего выхода счётчика 4) и емкостью реверсивного счетчика 5, может быть задана в очень широких пределах (практически от длительности одного периода до бесконечности). Поэтому регулятор позволяет обеспечить устойчивость регулирования и высокое качество переходных процессов без трудоемких операций по точной установке исполнительного элемента. Точность отработки oт fлoнeния определяется только т6чностьн5 измерения отклонения, т.е. задается частотой генератора эталонных импульсов 2, коэффициентом деления делителя 9 и емкостью счетчика 3 , и может быть Зсщана сколь угодно высокой.

Предлагаемое устройство позволяет реализацию на готовых функциональных элементах интегральных микросхем.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ -РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ, содержащий входной формирова- , тель прямоугльных импульсов,генератор цмпульсов эталонной частоты, одновиб|)атор, первый счетчик импульсов, вход ||ачальной установки которого подключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсов через однорибратор, а счетный вход - к выходу рервого логического элемента И, вто|рой счетчик импульсов, счетный вход роторого подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты, и рторой логический элемент И, о т даичающийся тем, что, с целью повышения точности регулирова|4ия частоты, он снабжен делителем частоты, логическим элементом И-НЕ, который подключен своими входами к рыходам первого счетчика импульсов, выходом - к одному входу первого логического элемента И, другой вход которого подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты через делитель частоты, двумя инверторами, первый из которых подключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсов, а второй - к выходу первого логического элемента И-НЕ, реверсивным счетчиком импульров, вторым логическим элементом И-НЕ, логическим элементом ИЛИ, входы которых попарно объединены и подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, логическую схему сравнения на равно, одни входы сравнения которой подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, а другие - к выходам второго счетчика импульсов, третьим логическим элементом И, выход которого подключен к входу обратного счета реверсивного счетчика импульсов, вход прямого счета которого подключен к выходу второго логического элемента И, вторым одновибратором и выходным RS-триггером, R-вход которого подключен к выходу логической схемы сравнения на равно, а S-вход - к выходу последнего разряда второго счет чика через второй одновибратор, при этом первый вход второго логического элемента И подключен к выходу первого логического элемента И-НЕ, второй вход - к выходу первого инвертора, третий - к выходу второго инвертора, а четвертый соединен с четвертым вхо ,дом третьего логического элемента И, :п третий вход которого соединен с входом второго инвертора, второй вход с входом первого инвертора, а первый вход - с выходом логического элемен-; та ИЛИ, причем объединенные четвертые входы первого и второго логических элементов И подключены или к выходу генератора импульсов эталонной частоты через дополнительно введенный делитель частоты, или к одному из выходов разрядов. второго счетчика им пульсов.

77

Sttx.

Ж

V

it

UUliU

j L J J L li ll

UJULJlJLl