Устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом Советский патент 1984 года по МПК G05B11/26 

1 Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления электромагнитами быстро действующих электрогидравлических приводов. Известно устройство для автоматического регулирования тока питария электромагнита lj . Недостатками известного устройства являются больУпие габариты и стоимость, вызванные сложностью функциональной и, соответственно, принципиальной схемы устройства. Кроме того, это устройство не обес печивает контроля срабатьгаания электромагнита, что исключает возможность реализации эффективного форсирования электромагнита в быст родействующих электрогидравлических приводах. Более сорерщенной является цифровая следящая система с широтиоимпульсным модулятором, содержащая электропадравлический механизм, электромагниты которого связаны с выходами двух усилителей мощности, датчик положения, связанный с выход ным штоком электрогидравлического исполнительн9го механизма, устройст во птротно-импульсной модуляции, которое через триггер связано с управляющими входами усилителей мощности, задающее устройство, а также цифровое управляющее устройство, входы которого соединены с выходами датчика положения и задающего устройства, а выходы подключены к входам устройства широтно-импульсной модуляции 2. Недостатком этого устройства является низкая надежность, вызванная отсутствием форсировки при включении электромагнитов, а также сложностью 1 онструкции устройства. Кроме того, в данном устройстве не зависимо от величины управляющего воздействия, в зависимости от состояния триггера, включенного меж ду выходами устройства щиротно-импульсной модуляции и входами усилителей мощности, всегда включен один из электромагнитов электрогидравличе кого механизма,т.е.последний постоян но находится в возвратно-поступатель ном движении. Это приводит к значитель ному сокращенит ресурса работы устройства за счет механического из30носа электрогидравлического механизма. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство дпя широтно-импульсного управления электромагнитным исполнительным механизмом, содержащее модулятор длительности импульсов, электрогидравлический исполнительный элемент, генератор прямоугольных импульсов, пороговьЕй блок, причем генератор прямоугольных импульсов подключен к первому, а задатчикк второму входу модулятора длительности импульсов. Вданном устройстBe при включении электромагнита производится подача импульса форсировки с амплитудой, равной величине напряжения источника питания и длительностью, определяемой параметрами дифференцирующего звена. В режиме удержания путем щиротно-импульсной модуляции управляющего сигнала производится снижение напряжения на электромагните Зj. Недостатком этого устройства является низкая надежность, так как увеличение времени срабатывания электромагнита по какга -либо причинам (например, увеличение нагрузки на электромагнит) до величины, превышаницей время форсировки, приводит кневключению электромагнита. В то же время выбор форсировки, существенно большего времени срабатывания электромагнита, не допустим из соображений экономичности устройства и допустимого перегрева электромагнита. К недостаткам данного устройства следует также отнести сложность конструкции усилителя, а следовательно, повыоенную стоимость и пониженную надежность. Это вызвано тем, что в известном устройстве для реализации двухполярного выходного напряжения усилителя, необходимо применение полумостовой или мостовой схемы оконечного каскада усилителя, что требует использования не менее двух силовых транзисторов с соответствуюпщми схемами управления, стоимость которых значительно . превыщает стоимость пассивных элементов устройства. Цель изобретения - повышение надежности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом, содержащее генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу модулятора длительности импульсов, к второму входу которого подсоединен задатчик, а также элект рогидравлический исполнительный эле мент и пороговый блок, введены ключ и датчик скорости перемещения,причем выход модулятора длительности импульсов через ключ соединен с входом электрогидравлического исполнительного органа, выход которого через пocлejDloвaтeльнo соединенные датчик скорости перемещения и пороговый блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсов.. Причем ключ содержит усилитель, первый вход которого подключен к входу ключа, второй вход подключен через конденсаторк выходу ключа, который через первичную обмотку трансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через вторичную обмотку трансформатора и диод соединена с положительной шиной источника напряжения и вторьм входом усилителя. На фиг. - изображена блок-схема Предлагаемого устройства; на фиг.2 принципиальная схема ключа; на фиг. временная диаграмма работы устройства. Устройство для широтно-импульсно го управления электромагнитом содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, задатчик 2, модулятор 3 длительности импульсов, усилитель 4 ключ 5, источник 6 напряжения, элек трогидравлический исполнительный ме ханизм 7, датчик 8 скорости перемещення и пороговый блок 9, конденсатор 10, диод 11, трансформатор 12, первичную обмотку трансформатора 13 вторичную обмотку трансформатора 14 клеммы источника 15 питания, первый и второй элементы И 16 и 17, элемен ИЛИ 18. Модулятор длительности импульсов может быть вьшолнен по рйзличным принципиальным схемам. На фиг. 1 представлен вариант выполнения моду лятора 3 длительности импульсов на двух элементах И 16 и 17 и элементе ИЛИ 18. Первый вход элемента И 16 является первым вхбдом модулятора 3 длительности импульсов, второй .вход первого элемента И 16 и первый 304 вход второго элемента И 17 объединены и используются как второй вход модулятора 3 длительности импульсов, в качестве третьего входа которого используется второй вход второго элемента И 17. Выход первого и второго элементов И 16 и 17 подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ 18, выход которого является вьрсодом модулятора 3 длительности импульсов. Устройство работает следующ11м образом. Генератор 1 прямоугольных импульсов генерирует прямоугольные импульсы фиксированной частоты, поступающие на первый вход модулятора 3 длительности импульсов (фиг. 3 и 1). Если напряжение на выходе задатчика 2 в момент времени tg равно нулю (фиг. 3 и 2), элементы И 16 и И 17 блокируют прохождение щпульсов генератора 1 прямоугольного напряжения и выходного сигнала порогового блока 9 на входы элемента ИЛИ 18. В этом случае напряжение на /выходе модулятора 3 длительности им пульсов (фиг. 3U3) равно нулю, оконечньй каскад усилителя 4 находится в запертом состоянии, выходной сигнал ключа 5, т.е. напряжение . на электромагните (фиг. 3 U 6),равно нулю, электромагнит исполнительного органа находится в отключенном состоянии, т.е. шток неподвижен и выходной сигнал датчика 8 скорости равен нулю. Нулевой уровень выходного сигнала порогового блока 9 приводит к появлению высокого уровня потенциала на его выходе (фиг. 3U 9), однако нулевой уровень напряжения на первом входе второго элемента И 17 препятствует прохождению выходного сигнала порогового блока 9 на выход модулятора 3 длительности импульсов и электромагнит остается в выключенном состоянии. После прихода управляющего сигнала (момент времени,4 ) с выхода задатчика 2 (фиг. 3 U2) на втором входе первого элемента И 16 и первом входе элемента И 17 устанавливается уровень высокого потенциала. На выходе первого элемента И 16 появляются импульсы генератора 2 прямоугольного напряжения, а на выходе второго элемента И 17 появляется высокий уровень выходного сигнгша по$1рогового блока 9. Элемент ИЛИ 18 производит суммирование этих сигналов и на выходе модулятора 3 длительности импульсов устанавливается уровень высокого потенциала. Появление постоянного напряжения на выходе модулятора 3 длительности импульсов приводит к насыщению оконеч ного транзистора усилителя 4 мощности и появлению на его выходе напряжения, равного величине напряжения источника 6 питания. Через первичную обмотку 13 трансформатора 12 это напряжение поступает на конденсатор 10 и на электрогидравлическое исполнительное устройство 7. Трансформатор 12 работает в этом режиме в качестве линейного дросселя. Причем индуктивность первичной обмотки трансформатора 12 и емкость конденсатора 10 выбраны таким образом, чтобы постоянная времени заряда кон денсатора 10 была не менее, чем в 10 раз меньще времени нарастания то ка в электромагните исполнительного устройства 7.Этим обеспечивается практически полное отсутствие влияния задержки силового ключа на врем включения электромагнита. Через интервал времени, равный времени срабатывания электромагнита , происходит срабатьшание последнего, шток исполнительного органа 7 приходит в движение, и на выходе датчика 8 скорости появляется сигнал, пропорциональный скорости движения штока исполнительного органа 7. Когда этот сигнал достигнет заданного значения, срабатывает пороге- , вый блок 9 (фиг. 3 и 9, момент времени ij ) Появление низкого потенциала на выходе порогового блока 9 свидетельствует о полном срабатывании электромагнита исполнительного устройства 7 и используется для перехода из режима форсированного включения электромагнита в режим удержания. Появление низкого потенциала .на выходе порогового элемента 9 приводит к установлению нулевого потенциала на выходе второй схемы И 17. В этом случае на вход элемента ИЛИ 18 поступают только импульсы с выхода первой схемы И 16 и на выходе модулятора 3 длительности импульсов появляются импульсы, частота и скважность которых определяют ся частотой и скважностью выходных 0 импульсов генератора 1 прямоугольного напряжения. Указанные импульсы осуществляют шИротно-импульсное управление усилителем 4, что позволяет снизить среднее значение его выходного напряжения, обеспечивая тем самым снижение напряжения на обмотке электромагнита в режиме удержания. Ключ сглаживает пульсации напряжения на электромагните, в режиме удержания, обеспечивая уменьшение динамических потерь. Одновременно ключ формирует безопасную траекторию переключения транзистора усилителя 4, обеспечивая повышение надежности всего устройства в целом. При насьш1ённом транзисторе усилителя 4 коллекторный ток протекает от плюсовой шины источника питания через первичную обмотку 13 трасформатора 12 в электромагнит и конденсатор 10. Диод 11 при этом закрыт и вторичная обмотка 15 трансформатора 12 не участвует в работе слюча. При запертом состоянии оконечного транзистора усилителя 4, энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора 12 через вторичную обмотку 14 и диод 11, возвращается в источник 15 питания, а конденсатор 10 обеспечивает непрерывность протекания тока электромагнита. момент времени 12, т.е. при переходе с режима форсировки на режим удержания электромагнита происходит перезаряд конденсатора 10. В зависимости от параметров ключа и электроМагнита исполнительного органа 7 перезаряд может иметь апериодический или автоколебательный характер. На фиг. 3 (и 6) показан случайавтоколебательного режима перезаряда конденсатора 10. В интервале времени осуществляется работа электромагнита в режиме удержания. В этом интервале напряжение на выходе порогового блока 9 равно нулю, что является сигналом, подтверждающим движение штока исполнительного органа 7, т.е. подтверждением нахождения электромагнита в сработанном положении. Если в результате какого-либо внешнего воздействия произошло отключение электромагнита, выходной сигнал порогового органа 9 принимает уровень высокого потенциала и устройство ав-, томатически переходит в режим форсированного включения электромагнита, чем и обеспечивается высокая надежность работы предлагаемого устройства. В момент времени i происходит отключение выходного сигнала задатчика 2. Это приводит к запиранию оконечного транзистора усилителя А и передаче энергии, запасенной в трансформаторе 12, через обмотку 14 и диод 11 в источник питания. Индуктивность обмоток 13 и t4 трансфо матора 12- при практической реализачции устройства выбирается значитель но меньше индуктивности электромагнита 6. Поэтому наличие трансформатора 12 практически не с.казывается на процессе отключения электромагнита. Диод 11 не шунтирует обмотку электромагнита,поэтому после запирания оконечного каскада усилителя ЭДС самоиндукции электромагнита отрицательной полярности прикладывает ся к конденсатору 10. В интервале времениi -i энергия, запасенная в магнитном поле электромагнита,передается в конденсатор 10. В интервале времени конденсатор 10 поддерживает отрицательное напряжение на электромагните, чем и обеспе чивается эффект форсировки при его отключении. Формирование отрицатель ного напряжения на электромагните обеспечивается без применения ревер сивных (мостовых или полумостовых) схем усилителя 4. Это обеспечивает низкую стоимость предлагаемого уст ройства. В момент времени tg начинается движение якоря электромагни та при его отпускании. Выброс напряжения на электромагните в интер 08 вале времени t появляется за счет изменения индуктивности электромагнита при движении его якоря. После отпускания электромагнита в момент времени tj,) останавливается шток дополнительного органа 7, выходное напряжение порогового блока 9 (фиг. 3 U9) принимает уровень высокого потенциала и устройство остается в выключенном состоянии до прихода следующего сигнала управления устройством. Предлагаемое устройство обеспечивает автоматическое переключение с режима форсировки на режим удержания электромагнита при любой скорости движения якоря электромагнита, а также автоматическое переключение с режима удержания на режим форсировки при отключении электромагнита независимо от причины, вызвавшей это отключение. Этим обеспечивается значительное повышение надежности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Одновременно устройство обеспечивает форсированное отключение электромагнита без применения полумостовых или мостовых схем усилителя мощности, что существенно снижает стоимость устройства. Указанная схема позволяет на 2030% уменьшить время отключения электромагнита. Это вызвано тем, что в предлагаемой схеме возможно получение отрицательного напряжения на электромагните любой величины, а также возможно превьш1ение длительности воздействия отрицательного напряжения на электромагнит времени спада тока в его обмотке.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШИРОТНОИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ, содержащее генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу модулятора длительности импульсов, к второму входу «которого подсоединен задатчик,.а также электрогидравлический- исполнительный элемент и пороговый блок, отличающееся тем, что, с целью повышения его надежности, в него введены ключ и датчик скорости перемещения, причем выход модулятора длительности импульсов через ключ соединен с входом электрогидрав лического исполнительного органа, выход; которого через последовательно соединенные датчик скорости перемещения и пороговый блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсов. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что ключ содер% жит усилитель, первый вход которого подключен к входу ключа, второй вход подключен через конденсатор к выходу ключа, который через первичную обмотку трансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через вторичную обмотку трансформатора и диод соединена с положительной шиной ис30 точника напряжения и вторым входом усилителя. :

L.

. 2