Устройство для управления мостовым инвертором Советский патент 1991 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к управляемым преобразователям энергии постоянного тока в энергию переменного тока и может быть использовано в электроприводах переменного тока с частотно-токовым управлением.

Цель изобретения - повышение точности регулирования тока.

Оценкой точности регулирования тока в обмотке электродвигателя является точность регулирования момента вращения двигателя, управляемого током. Повышение точности достигается путем использования фильтрующих свойств управляемого двигателя.

На фиг.1 представлена схема устройства для управления мостовым инвертором; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.З - схема узла управляемой задержки переднего фронта входных импульсов.

Устройство содержит последовательно соединенные источник 1 задания тока, усилитель 2 рассогласования токов, компаратор 3, а также первый и второй пороговые элементы 4 и 5, блок 6 логического управления вентилями мостового инвертора 7, датчик 8 тока нагрузки 9, который подключен выходом к второму входу усилителя 2 рассогласования токов.

О

ел о

ON СП

В устройство введены два узла управляемой задержки 10 и 11 переднего фронта входных импульсов и два триггера 12 и 13. Информационный вход 14 первого узла управляемой задержки 10 подключен к инверсному выходу компаратора 3, а информационный вход 15 второго узла управляемой задержки 11 - к прямому выходу компаратора 3. Первые управляющие входы 16 и 17 узлов управляемой задержки 10 и 11 подключены к выходам триггеров 12 и 13 соответственно, а вторые управляющие входы 18 и 19 - к выходам триггеров 13 и 12 соответственно.

Выход первого узла управляемой задержки 10 подключен к первому входу 20 блока 6 логического управления вентилями и к входу установки нуля первого триггера 12. Выход второго узла управляемой задержки 11 подключен к второму входу 21 блока 6 логического управления вентилями и к входу установки второго триггера 13. Входы установки единицы триггеров 12 и 13 подключены к выходам пороговых элементов 4 и 5 соответственно. Пороговые элементы 4 и 5 подключены к выходу усилителя 2 рассогласования токов.

Кроме того, устройство может содержать два двухвходовых элемента И-НЕ 22 и 23. Причем выход узла управляемой задержки 10 соединен с первым входом блока 6 логического управления вентилями и входом установки нуля триггере 12 через элемент И-НЕ 22, второй вход которого подключен к инверсному выходу компаратора 3. Выход узла управляемой задержки 11 соединен с вторым входом блока 6 логического управления вентилями и входом установки нуля триггера 13 через элемент И-НЕ 23, второй вход которого подключен к прямому входу компаратора 3.

Узел управляемой задержки 10 (11) переднего фронта входных импульсов может быть выполнен по схеме, содержащей два одновибратора 24 и 25 с повторным запуском, трехвходовый элемент ИЛИ 26, трех- входовый элемент ИЛИ-НЕ 27, двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ 28 и элемент НЕ 29.

Одновибратор 24 подключен входом к выходу элемента 27, а выходом к первому входу элемента 26. Одновибратор 25 подключен входом к выходу элемента 28, а выходом к второму входу элемента 26. Информационный вход 14 (15) узла управляемой задержки подключен к первым входам элементов 27,28 и к третьему входу элемента 26, первый управляющий вход 16 (17) подключен к второму входу элемента 27 и

через элемент 29 к второму входу элемента 28, второй управляющий вход 18 (19) - к третьему входу элемента 27, выход - к выходу элемента 26.

Устройство работает следующим образом.

Нагруз ой 9 мостового инвертора 7 является обмотка двигателя, управляемого током,

Формируемый в обмотке двигателя ток I A (t) представим в следующем виде:

Ч« з«- Ј(t)(1)

где I3(t) - ток задания,

e(t) la(t) - д (t) - рассогласование токов.

Управляемый двигатель представим в виде последовательно соединенных безынерционного звена, преобразующего ток в момент вращения, и динамического звена, учитывающего инерционность, например, ротора, двигателя.

Введем в рассмотрение составляющую тока обмотки двигателя ф (t), которой соответствует развиваемый двигателем момент вращения, и граничную частоту W полосы пропускания динамического звена, учитывающего инерционность управляемого двигателя.

Для оценки точности регулирования то- ка воспользуемся среднеквадратичной ошибкой

35

„

т - ос/ -т

jT }(i3(t)-i(t))2dt.

Ток задания ls(t) и рассогласования токов Ј (t) будем считать случайным, взаимно некоррелированными функциями времени, 4Q характеризующимися спектральными плотностями В( о) и Bf (ш). Фильтрующие свойства управляемого двигателя будем аппроксимировать частотной характеристикой

45 о

W со

D(jw) |ф

Тогда в соответствии с теорией фильт- 5Q рации среднеквадратическая ошибка (ошибка фильтрации) будет равна

.00Ш

ё2 л( $ Si(o)dw + J Sfc(o)dft).

55

Из этого выражения следует, что ошибка фильтрации будет минимальной (следовательно, точность регулирования тока будет максимальной), когда спектральные

характристики Si( ш) и S( ш) не перекрываются, а их граничные частоты Wi и удовлетворяют неравенству

Wi W We Когда выполняется неравенство

Wi W,

то уменьшение ошибки фильтрации сводится к обеспечению неравенства

.

(2)

В предлагаемом устройстве управления мостовым инвертором повышение точности регулирования тока достигается путем формирования в обмотке двигателя (в нагрузке 9) тока lift), которому соответствует периодическое во времени рассогласование токов e(tj.

Частота основной гармоники возникающего рассогласования токов выбирается минимальной, но достаточной для обеспечения неравенства (2).

Сигнал рассогласования, е (t) с выхода усилителя 2 поступает на компаратор 3 и пороговые элементы 4 и 5.

С помощью компаратора 3 формируется симметричная рабочая зона в окрестности тока задания I3(t) шириной 2ДИ, определяемой петлей гистерезиса. С помощью пороговых элементов 4 и 5 формируется симметричная дополнительная зона шириной 2Al2, Al2 2Ah.

Когда рассогласование токов е (t) превысит Л И, то на прямом выходе компаратора 3 появится логический нуль. Когда же Ј(t) станет больше Д12, то на выходе порогового элемента 4 сформируется логический нуль, с помощью которого запишется логическая единица в триггер 12. Состояние компаратора 3 изменится на противоположное при выполнении условия e(t) -А И. Если рассогласование токов е (t) - А 12, то с помощью порогового элемента 5 запишется единица в триггер 13.

Узел управляемой задержки 10 осуществляет задержку переднего фронта логических сигналов отрицательной полярности, поступающих на информационный вход 14 на время, определяемое комбинацией управляющих сигналов на входах 16 и 18.

При U16 0 и U18 0 входной импульс передается с задержкой переднего фронта на время Г1 . а при 1Л6 1и1И8 0-с задержкой на время тг 2 п .

Когда же U16 0 и U18 1, входной импульс передается без задержки.

Аналогичным образом работает узел 11.

Блок 6 логического управления вентилями 30 - 33 обеспечивает закорачивание нагрузки 9 при наличии логической единицы

на его входах 20 и 21 путем включения анодной 30 и 31 или катодной 32 и 33 групп вентилей. При наличии на входах 20 и 21 блока комбинации противоположных логи- 5 ческих сигналов нагрузка 9 подключается к разноименным полюсам источника питания путем замыкания соответствующей пары вентилей в диагонали моста инвертора 7. При U20 1 и U21 0 замыкаются,

0 например, вентили 30 и 32, а при U20 О и U21 1 - вентили 31 и 33.

Рассмотрим конкретный пример формирования тока в нагрузке 9 (см. фиг.2). Пусть в начальный момент времени to

5 на прямом выходе компаратора 3 - логический нуль, триггеры 12 и 13 - в состоянии логического нуля, ток задания i3(t) 0, ток в нагрузке i. (to) 0 и противо ЭДС в нагрузке eH(to) - 0.

0В данном случае на входах блока 6 логического управления вентилями сформируются сигналы U20 1 и U21 - 0. Такой комбинации входных сигналов соответствует замыкание вентилей 30 и 32, приводя5 щее к быстрому нарастанию тока в нагрузке 9.

Для определенности за положительное направление тока в нагрузке 9 принимается направление, соответствующее подключе0 нию нагрузки к источнику питания с помощью вентилей 30 и 32,

В момент времени ti рассогласование токов Ј (t) I3(t) - 1д(г) станет удовлетворять неравенству Ј(t) -А И. Компаратор 3 пе5 реключается, и на его инверсном выходе формируется сигнал логического нупя, который поступает на информационный вход 14 узла управляемой задержки 10.

Прохождение этого логического нуля на

0 выход узла 10 будет задержано на время ri , поскольку управляющие сигналы U16 0 и U18 0. В течение этого времени на обоих входах блока 5 логического управления вентилями будет поддерживаться ло5 гическая единица. При таком состоянии входных сигналов нагрузка 9 будет закорочена путем замыкания, например, вентилей 32 и 33. Ток в ней начнет медленно спадать. В момент t2 на входе 20 блока 6 появля0 ется логический нуль. Это требует замыкания вентилей 31 и 33. Ток в нагрузке 9 начнет быстро спадать. И как только станет рассогласование токов F (t) Ah. компаратор 3 вновь переключится, и сигнал логиче5 ского нуля сформируется на его прямом выходе. Этот нульпоступитна вход 15 узла 11 и будет задержан им также на время т . Нагрузка 9 вновь окажется закороченной на время ri . По истечении этого времени логический нуль придет на вход 21 блока 6 и обеспечит подключение нагрузки 9 к источнику питания с помощью вентилей 30 и 32. Ток в нагрузке 9 вновь начнет быстро возрастать, пока не переключится компаратор 3. Дальнейшая работа устройства повторяется и соответствует описанию его работы с момента ti.

Пусть в момент 1з ток задания станет равным 1зо. В этом случае рассогласование токов Ј (t) окажется больше Л И иЛ 12. В силу этого усилитель 2 рассогласования установит на выходе порогового элемента 4 логический нуль, с помощью которого запишет единицу в триггер 12. На прямом выходе компаратора 3 установится сигнал логического нуля. Поскольку на первом и втором управляющих входах узла задержки 11 сформируются сигналы 1)17 0 и U19 1, то логический нуль, поступивший на его информационный вход 15, будет пропущен без задержки на второй вход 21 блока 6 логического управления вентилями. На входах блока 6 сформируются сигналы U20 1 и U21 0.

Такой комбинации входных сигналов соответствует замыкание вентилей 30 и 32. Ток в нагрузке 9 начнет быстро нарастать.

В момент t4 компаратор 3 переключится, на его инверсном выходе появится логический нуль, который затем поступит на информационный вход 14 узла управляемой задержки 10. В соответствии с комбинацией управляющих сигналов узла задержки (U16 1 и U18 0) это звено задержит на время Г2 поступление нуля на вход блока 10 логического управления вентилями. Нагрузка 9 закорачивается, ток в ней начнет спадать с некоторой скоростью, определяемой как постоянной времени, так и начальным током короткозамкнутой нагрузки 9. Если в течение этого времени ток спадет до нижней границы рабочей зоны, т.е. компаратор 3 успеет переключиться, то блок 6 замкнет вентили 30 и 32 мостового инвертора 7. Ток в нагрузке 9 начнет быстро возрастать до тех пор, пока вновь не переключиться компаратор 3. Далее характер изменения тока в нагрузке 9 будет периодически повторяться.

Пусть в момент ts в нагрузке 9 индуцируется противоЭДС eH(t), которая уменьшит . скорость спадания тока. Это приведет к тому, что за время ti ток в нагрузке не успеет уменьшиться до нижней границы рабочей зоны. На выходе узла управляемой задержки 10 появится сигнал логического нуля. Этот сигнал, во-первых, возвратит триггер 12 в нулевое состояние, и, во-вторых, обеспечит

замыкание вентилей 31 и 33 в инверторе 7, тем самым приведет к быстрому уменьшению тока в нагрузке 9. Дальнейший характер коммутации вентилей мостового

инвертора 7 будет аналогичен ранее рассмотренному случаю нулевого тока задания. В момент te противоЭДС Јн (t) увеличивается так, что в закороченной нагрузке 9 ток начнет возрастать и достигнет верхней

0 границы дополнительной зоны. Тогда с помощью порогового элемента 5 усилитель 2 запишет единицу в триггер 13 и изменение тока в нагрузке 9 будет иметь вид, приведенный на фиг.2. В дальнейшем характер изме5 нения тока будет зависеть как от задания тока, так и от возникающей противоЭДС.

Поскольку период трапецеидальных пульсаций тока период треугольных пульсаций тока т TI . и при этом

0 F2 2 TI , то при работе предлагаемого устройства обеспечивается стабильность частоты пульсаций тока в нагрузке при различных заданиях тока и возникающей в нагрузке противоЭДС.

5при управлении электродвигателями в

моменты их пуска, реверса и т.д. возникает необходимость формирования в обмотках двигателей токов задания, характеризующихся высокой степенью нестационарно0 сти. В частотной области это приводит к наложению текущих спектров тока задания и рассогласования токов, и как следствие к возникновению заметной ошибки фильтрации.

5 С целью уменьшения ошибки фильтрации в предлагаемое устройство введены два двухвходовых элемента И-НЕ 22, 23, причем выход узла 10 управляемой задержки переднего фронта входных импульсов сое0 динен со входом 20 блока 6 логического управления вентилями и входом установки нуля триггера 12 через элемент И-НЕ 22, второй вход которого подключен к инверсному выходу компаратора 3, а выход узла 11

5 управляемой задержки переднего фронта входных импульсов соединен со входом 21 блока 6 логического управления вентиляции и входом установки нуля триггера 13 через элемент И-Н Е 23, второй вход которого под0 ключей к прямому входу компаратора 3.

Подключение входов 20, 21 блока 6 логического управления вентилями через элементы И-НЕ 22, 23 к инверсному и прямому выходам компаратора 3 позволяет повысить

5 частоту пульсаций формируемого в нагрузке 9 тока за счет блокирования задержки управляющих импульсов, формируемых компаратором 3. Тем самым обеспечивается разнос текущих частотных спектров тока задания и рассогласования токов. При задержке переднего фронта выходных импульсов компаратора 3 положительной полярности и при подключении входов узлов 10 и 11 управляемой задержки переднего фронта входных импульсов к выходам компаратора 3 через дополнительные ключи (на чертеже не показаны), открытое состояние которых будет определяться степенью нестационарности текущей реализации тока задания, появляется возможность с высокой степенью точности управлять моментом вращения двигателей быстродействующих прецизионных электроприводов.

Узел управляемой задержки переднего фронта входных импульсов (см. фиг.З) работает следующим образом.

Пусть на его управляющие входы 16 и 18 поступают сигналы U16 0 и U18 0. С приходом логического нуля на информаци онный вход 14 на выходе элемента ИЛИ-НЕ 27 появится логическая единица. Положительным перепадом запустится одновибра- тор 24. Сформированный одновибратором 24 положительный импульс заблокирует появление логического нуля на выходе элемента ИЛИ 26 на время л .

При управляющих сигналах U16 1 и U18 0 приход логического нуля на информационный вход 14 запускает одновибра- тор 25, который выходным импульсом блокирует появление логического нуля HS выходе элемента ИЛИ 26 на время Г2 .

Когда же1Л6 0 и U18 1, то логический нуль, поступающий на информационный вход узла, проходит на его выход без задержки, поскольку ни один из одновибра- торов 24 и 25 не запускается.

Предлагаемое устройство для управления мостовым инвертором может быть использовано при управлении круговыми и линейными двигателями постоянного и переменного токов с токовым и частотно-токовым управлением.

Формула изобретения

1. Устройство для управления мостовым инвертором, содержащее последовательно соединенные источник задания тока, усилитель рассогласования токов, компаратор, а также первый и второй пороговые элементы, блок логического управления вентилями, обеспечивающий закорачивание нагрузки мостового инвертора при наличии логической единицы на обоих входах блока логического управления вентилями путем включения анодной или катодной группы вентилей, при наличии на входах блока логического управления комбинации противоположных логических сигналов

подключение нагрузки мостового инвертора к разноименным полюсам источника питания путем замыкания соответствующей пары вентилей в диагонали моста инверто- 5 ра, а также датчик тока нагрузки, выходом подключенный к входу усилителя рассогласования токов, отличающееся тем, что. с целью повышения точности регулирования тока, в него введены два узла управ0 ляемой задержки переднего фронта входных импульсов и два триггера, причем информационный вход первого узла управляемой задержки переднего фронта входных импульсов подключен к инверсному

5 выходу компаратора, а информационный вход второго узла управляемой задержки переднего фронта входных импульсов - к прямому выходу компаратора, первые управляющие входы первого и второго узлов

0 управляемой задержки переднего фронта входных импульсов подключены к выходам первого и второго триггеров соответственно, а вторые управляющие входы - к выходам второго и первого триггеров, выход

5 первого узла управляемой задержки переднего фронта входных импульсов подключен к первому входу блока логического управления вентилями и к входу установки нуля первого триггера, выход второго узла

0 управляемой задержки переднего фронта входных импульсов подключен к второму входу блока логического управления вентилями и к входу установки нуля второго тоиг- гера, входы установки единицы первого и

5 второго триггеров подключены к выходам соответствующих пороговых элементов, входами подключенных к выходу усилителя рассогласования токов.

2.Устройство поп.1,отличающее- 0 с я тем, что, с целью повышения точности

регулирования тока путем уменьшения ошибки фильтрации, в него введены два двухвходовых элемента И-НЕ, причем выход первого узла управляемой задержки пе5 реднего фронта входных импульсов соединен с первым входом блока логического управления вентилями и входом установки нуля первого триггера через первый вход первого элемента И-НЕ, второй вход кото0 рого подключен к инверсному выходу компаратора, а выход второго узла управляемой задержки переднего фронта входных импульсов соединен с вторым входом блока логического управления вентиля5 ми и входом установки нуля второго триггера через первый вход втброго элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к прямому выходу компаратора.

3.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что узел управляемой задержки

переднего фронта входных импульсов содержит два одновибратора, трехвходовой элемент ИЛИ. трехвходовой элемент ИЛИ- НЕ, двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ и элемент НЕ, причем первый одновибратор подключен входом к выходу трехвходового элемента ИЛИ-НЕ, а выходом - к первому входу трехвходового элемента ИЛИ, второй одновибратор подключен входом к выходу двухвходового элемента ИЛИ-НЕ, а выходом - к второму входу трехвходового элемента ИЛИ, информационный вход узла

0

управляемой задержки переднего фронта входных импульсов подключен к первым входам двухвходового и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ и к третьему входу трехвходового элемента ИЛИ, первый управляющий вход - к второму входу трехвходового элемента ИЛИ-НЕ и через элемент НЕ к второму входу двухвходового элемента ИЛИ-НЕ, второй управляющий вход - к третьему входу трехвходового элемента ИЛИ-НЕ. выход - к выходу трехвходового элемента ИЛИ.

Изобретение относится к импульсным системам автоматического регулирования и может быть использовано в электроприводах переменного тока с частотно-токовым управлением. Целью изобретения является повышение точности регулирования тока. Устройство содержит последорательно соединенные источник 1 задания тока, усилитель 2 рассогласования токов, компаратор 3, а также первый 4 и второй 5 пороговые элементы, блок 6 логического управления и мостовой инвертор 7, в диагональ которого включены последовательно соединенные нагрузка 9 и датчик 8 тока и введены два звена управляемой задержки 10 и 11 и два триггера 12 и 13. Звенья управляемой задержки 10 и 11 предназначены для передачи сигналов на входы блока 6 с регулируемой задержкой переднего фронта импульсов, а триггеры 12 и 13 - для управления формируемой задержкой. Каждый триггер устанавливается в единичное состояние соответствующим пороговым элементом, а возвращается в нулевое состояние выходным сигналом соответствующего звена управляемой задержки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Щи г. 2

18/19)

ФигЗ