Регулятор частоты автономного генератора Советский патент 1992 года по МПК H02P9/04 

VI

ю оо о сл оо

5

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации частоты автономных генераторов, например, в микроГЭС.

Известен автоматический регулятор ча- стоты генерируемого напряжения, содержащий формирователь прямоугольных импульсов, соответствующих регулируемой частоте, генератор импульсов эталонной частоты, реверсивный счетчик, схему анализа состояния счетчика. В указанном решении выходной сигнал регулятора частоты представляет собой импульс, длительность которого пропорциональна отклонению частоты от номинальной. При этом максимальное воздействие на механизм подачи энергоносителя осуществляется при отсутствии импульсов на выходе регулятора частоты (т.е. при постоянном нулевом сигнале), а минимальное воздействие на механизм подачи энергоносителя должно осуществляться при наличии импульсов на выходе регулятора частоты с длительностью, равной половине периода измеряемой частоты. Таким образом, выходной сигнал регулятора час- тоты при изменении частоты изменяется несимметрично: от нуля при уменьшении частоты до половины периода при увеличении частоты (вместо постоянного единичного выходного сигнала). Поэтому для симметричного регулирующего воздействия на частоту необходимо применение на выходе регулятора инерционных исполнительных элементов, что снижает точность стабилизации частоты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор эталон- ной частоты, счетчик импульсов, формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к прямому выходу генератора прямоугольных импульсов, RS-триг- гер, два логических элемента И, делитель частоты.

В известном решении при малых отклонениях частоты, не выходящих за данную зону нечувствительности, на одном из двух выходов корректора частоты формируются импульсы постоянной заданной длительности с периодом следования, пропорциональным величине отклонения. В качестве исполнительного элемента в известном решении предусматривается применение электродвигателя, интегрирующего дискретное управляющее воздействие.

Недостатком прототипа является низкая точность стабилизации частоты,вызван- ная необходимостью применения

инерционных исполнительных элементов. Это, в свою очередь, снижает быстродействие системы стабилизации частоты и приводит к перерегулированиям в переходных процессах, что дополнительно снижает надежность устройства.

Цель изобретения - повышение точности стабилизации частоты генератора.

Поставленная цель достигается тем, что в регулятор частоты автономного генератора, содержащий генератор прямоугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор эталонной частоты, счетчик импульсов, первый формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к пря- мсму выходу генератора прямоугольных импульсов, первый RS-триггер, два логических элемента И, делитель частоты, дополнительно введены элементы памяти, цифроанало- говый преобразователь (ЦАП) второй RS-триггер, делитель частоты на два, второй формирователь коротких импульсов, пять логических элементов И-НЕ, задатчик числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, счетчик импульсов выполнен реверсивным, генератор прямоугольных импульсов снабжен дополнительным инвертирующим выходом, причем счетчик импульсов соединен информационным входом с задатчиком числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, входами прямого и обратного счета - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, входами предварительной установки и установки нуля - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И, информационным выходом через элемент памяти и цифроаналоговый преобразователь - с выходом регулятора частоты автономного генератора, выходами переноса младшего разряда и старшего разряда-соответственно с R-входом первого RS-триггера и счетным входом делителя частоты на два, генератор прямоугольных импульсов подключен прямым выходом к первым входам первого и второго логических элементов И-НЕ, к S-входу первого RS- триггера, соединенного инверсным и прямым выходами соответственно с вторыми входами первого и второго логических элементов И-НЕ, инвертирующим выходом - к входам установки нуля делителя частоты и делителя частоты на два, а через второй формирователь коротких импульсов - к первым входам третьего логического элемента И-НЕ и второго логического элемента И, второй вход которого соединен с первым входом четвертого логического элемента И- НЕ, с выходом генератора эталонной частоты, со счетным входом делителя частоты, с третьим входом первого логического элемента И-НЕ и вторым входом третьего логического элемента И-НЕ, а третий вход - с инверсным выходом второго RS-триггера, подключенного S-входом к прямому выходу первого RS-триггера, R-входом - к инверсному выходу первого формирователя коротких импульсов и первому входу первого логического элемента И, с вторым входом, подключенным к выходу четвертого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с входом делителя частоты на два, и к первому входу пятого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего логического элемента И-НЕ, а выход-с входом разрешения записи информации элемента памяти, выход делителя частоты соединен с третьим входом второго логического элемента И-НЕ.

Путем непосредственного определения величины отклонения частоты в двоичном коде и затем на выходе ЦАП ее аналогового значения обеспечивается возможность измерения мгновенного отклонения частоты.

Отсутствие в предлагаемом регуляторе интегратора и инерционного исполнительного элемента на выходе повышает быстродействие по сравнению с известными решениями.

В прототипе в случае возникновения колебательного процесса, выходящего за заданную зону нечувствительности, устройство не осуществляют никаких регулирующих воздействий, по существу отклю- чая обратную связь до самопроизвольного успокоения колебательного процесса. В предлагаемом решении сигнала на выходе устройства присутствует при любых режимах работы, и в случае возникновения коле- бательного процесса благодаря практической безынерционное™ и непрерывности сигнала автоматизированный регулятор частоты способствует быстрому затуханию колебательного процесса. Это позволяет исключить возможность появления неустойчивых режимов и повышает надежность. Таким образом, повышаются точность стабилизации частоты, а также надежность всего устройства вследствие улуч- шения динамических характеристик и исключения регулирования системы.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого регулятора частоты; на фиг. 2 - диаграммы напряжений на входах и выходах основных элементов, регулятора частоты; на фиг, 3 - зависимость напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя от частоты и периода входного сигнала.

Регулятор частоты автономного генератора содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор 2 эталонной частоты, счетчик 3 импульсов, первый формирователь 4 коротких импульсов, вход которого подключен к прямому выходу генератора 1 прямоугольных импульсов, первый RS-триггер 5, два логических элемента И 6 и 7, делитель 8 частоты, элемент 9 памяти, цифроаналого- вый преобразователь 10, второй RS-триггер 11, делитель 12 частоты на два, второй формирователь 13 коротких импульсов, пять логических элементов И-НЕ 14-18, задатчик 19 числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора. Счетчик 3 импульсов выполнен реверсивным. Генератор 1 прямоугольных импульсов снабжен дополнительным инвертирующим выходом, Счетчик 3 импульсов соединен информационным входом с задатчиком 19 чис- ла, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора. Входы прямого и обратного счета счетчика 3 подключены соответственно к выходам первого 14 и второго 15 логических элементов И-НЕ. Вход предварительной установки счетчика 3 соединен с выходом первого элемента И 6, а вход установки нуля-с выходом второго логического элемента И 7, Информационный выход счетчика 3 через элемент 9 памяти и цифроаналоговый преобразователь 10 соединен с выходным выводом регулятора частоты автономного генератора. Выходы переноса младшего разряда и старшего разряда счетчика 3 подключены соответственно к R-входу первого RS-триггера 5 и счетному входу делителя 12 частоты на два. Генератор 1 прямоугольных импульсов подключен прямым выходом к первым входам первого 14 и второго 15 логических элементов И-НЕ,а инвертирующим входом - к входам установки нуля основного делителя 8 частоты и делителя 12 частоты на два, а также через второй формирователь 13 коротких импульсов к первым входам третьего логического элемента И-НЕ 16 и второго логического элемента И 7. Второй вход логи- . ческого элемента И 7 соединен с первым входом четвертого логического элемента И- НЕ 17, с выходом генератора 2 эталонной частоты, со счетным входом основного делителя 8 частоты, с третьим входом первого логического элемента И-НЕ 14 и вторым входом третьего логического элемента И-НЕ 16. Третий вход элемента. И 7 соединен с инверсным выходом второго RS-триггера 11.S- вход которого подключен к прямому выходу первого RS-триггера 5, а R-вход триггера 11 подключен к инверсному выходу первого

формирователя 4 коротких импульсов и первому входу первого логического элемента И 6. Второй вход логического элемента И 6 подключен к выходу четвертого логического элемента И-НЕ 17, второй вход которого соединен с выходом делителя 12 частоты на два, и к первому входу пятого логического элемента И-НЕ 18, Второй вход элемента И-НЕ 18 соединен с выходом третьего логического элемента И-НЕ 16, а выход элемента И-НЕ 18 подключен к входу разрешения записи информации элемента 9 памяти. Выход делителя 8 частоты соединен с третьим входом второго логического элемента И-НЕ 15.

Регулятор частоты автономного генератора работает следующим образом.

На вход генератора 1 прямоугольных импульсов, синхронизированных с сетью, подается сигнал, пропорциональный напряжению автономного генератора (фиг. 2, Вх. 1). На выходе генератора 1 прямоугольных импульсов появляются две противофазные последовательности сигналов: Вых. 1 пр. - на прямом выходе и Вых 1 инв. на инверсном выходе. Логическим нулем с прямого выхода генератора 1 прямоугольных импульсов первый RS-триггер 5 по S-входу устанавливается в исходное состояние: на прямом выходе - сигнал логической единицы. По переднему фронту сигнала с прямого выхода генератора 1 прямоугольных импульсов первый формирователь 4 коротких импульсов вырабатывает импульс (фиг. 2, Вых. 4, ti, который через первый вход первого логического элемента И 6 воздействует на С-вход предварительной установки счетчика 3. Тем самым производится предварительная установка счетчика 3 в состояние, заданное на его информационных D-входах с помощью задатчика 19 числа. Код числа, поданный на информационные D-входы счетчика 3, соответствует максимально допустимой частоте напряжения автономного генератора, т.е. минимально допустимому периоду. После момента времени ti сигнал логической единицы с прямого выхода генератора 1 прямоугольных импульсов разрешает работу первого 14 и второго 15 элементов И-НЕ. С прямого выхода первого триггера 5 на второй вход второго элемента 15 также подана логическая единица. Поэтому второй элемент И-НЕ 15 через свой третий вход пропускает на вход -1 обратного счета счетчика 3 последовательность импульсов с выхода делителя частоты (фиг. 2, Вх. , t2-ti). Вход установки нуля делителя 8 связан с инверсным выходом генератора 1 прямоугольных импульсов, и импульсы на выходе делителя 8 появляются

только при наличии на его входе установки нуля сигнала логического нуля. Так как выходная частота делителя 8 применяется для формирования в каждый такт измерения частоты минимального периода Тмин, заданного на информационных D-входах счетчика 3, то синхронизация этой частоты по входу установки нуля делителя 8 позволяет задавать минимальный период Тмин с погрешностью, не превышающей длительности одного периода генератора 2 эталонной частоты. Такое схемное решение дает возмож- ность для формирования с высокой точностью периода Тмин использовать довольно низкую частоту с выхода делителя 8 и, следовательно, небольшое количество разрядов счетчика 3.

Обратный счет в счетчике 3 продолжается до момента t2, когда на выходе О 2

переноса младшего разряда счетчика 3 появится сигнал логического нуля, который через R-пход переключает первый триггер 5.

Количество импульсов N, которое в течение времени t2-ti проходит с выхода делителя 8 на вход обратного счета счетчика 3 (фиг. 2, Вх 3 -1, t2-ti), определяется из соотношения

Тмин-Тдел (N + 0,5),(1)

где Тдел - период следования импульсов на

выходе делителя 8 в период t2-ti,

коэффициент 0,5 связан с тем, что счет происходит по переднему фронту тактовых импульсов, а после установления на выходах счетчика 3 сигналов логических нулей

сигнал на выходе О :Ј переноса младшего разряда появляется по заднему фронту тактового импульса.

Число N, определяемое по формуле (1) и выраженное в двоичном коде, подано с помощью задатчика 19 числа на информацион- ные D-входы счетчика 3.

В моментt2, после переключения первого триггера 5, на второй вход первого элемента И-НЕ 14 подается логическая

единица. Через третий вход первого элемента И-НЕ 14 с выхода генератора 2 эталонной частоты на вход +1 прямого счета счетчика 3 подаются импульсы заданной частоты. При этом счетчик 3 считает разницу

между измеренным (Тизм) и заданным (Тмин) периодами:

Мизм Мизм

Тген - Тизм Тмин, Т изм - Т мин

(2)

СС МИЗМ-т00I ген

где Тген - период следования импульсов генератора 2 эталонной частоты;

Мизм - количество импульсов, подсчитанное счетчиком 3 в прямом направлении.

Если частота напряжения, вырабатываемого генератором, ниже заданного значе- ния TH, то происходит переполнение счетчика 3. На его выходе Э: 16 переноса старшего разряда появляется второй им- пульс, который переключает делитель 12 частоты на два. Первый импульс на выходе переноса старшего разряда появляется в момент t2. При переходе обратного счета через нуль на выходах счетчика 3 устанавли- ваются логические единицы, а с началом прямого счета на выходе переноса старшего разряда появляется первый импульс. Логическая единица на выходе делителя 12 частоты на два появляется после прихода второго импульса на счетный вход делителя 12. По входу установки нуля происходит обнуление делителя 12. На фиг.2 (Вых. 12) момент переполнения счетчика 3 обозначен как ts. После этого появлением логической единицы на втором входе четвертого элемента И-НЕ 7 разрешается прохождение импульсов с выхода генератора 2 эталонной частоты через элемент 17 на второй вход элемент И 6 и на первый вход пятого эле- мента И-НЕ 18. С выхода первого элемента И 6 в течение времени t-нз поступают импульсы на С-вход предварительной установки счетчика 3 (фиг. 2, Вх 3 С).

Так как диапазон изменения частоты напряжения, вырабатываемого автономным генератором, небольшой, то в этом диапазоне можно считать период линейно зависящим от частоты. Поэтому графической зависимости (фиг, За) эквивалентна за- висимость (фиг. 3 б), в которой Тмакс соответствует нижнему заданному значению частоты f4, а Тмин - верхнему заданному значению частоты тв.

Для соотношения частот Тизм TH спра- ведливо соотношение периодов Ттм Тмакс, которое эквивалентно выражению Мизи ММакс, где Ммакс - максимально возможное число, которое может быть записано в счетчик 3 при прямом счете до срабатывания делителя 12 частоты на два. Ымакс определяется из выражения

Т макс Т мин/о

М„

ген

Для обеспечения требуемой передаточ- ной характеристики (фиг. 3) при выполнении условия Тизм fn (Тизм Тмакс), о чем свидетельствует переполнение счетчика 3 в момент t3, необходимо на выходах счетчика 3 зафиксировать число NMSKC или большие число и через элемент 9 памяти передать это число на входы цифроаналогового преобразователя 10. Для упрощения схемы в качестве числа для фиксации в счетчике 3

можно использовать уже имеющееся число N на информационных D-входах. Для этого должно выполняться условие

N Ммакс,(4)

которое достигается выбором соответствующих значений в выражениях (1) и (3).

При срабатывании делителя 12 частоты на два одновременно с предустановкой счетчика 3 в момент t4-t3 импульсы с выхода четвертого элемента И-НЕ 17 поступают на первый вход пятого элемента И-НЕ 18, на втором входе которого присутствует сигнал логической единицы. Импульсы с выхода пятого элемента И-НЕ 18 подаются на вывод записи информации элемента 9 памяти (фиг, 2, Вх. 9С, t4-t3). Таким образом формируется часть характеристики выходного напряжения ЦАП 10 для интервала частоты

.

Так как предварительная установка счетчика 3 производится по заданному фронту импульса на С-входе, а запись информации в элемент 9 памяти - по переднему фронту импульса на его С-входе, то с учетом длительности переходных процессов элементов 3 и 9 для получения на входах ЦАП достоверной информации одновременное управление по С-входам элементов 3 и 9 производится пачкой импульсов (фиг. 2, Вх. ЗС, Вх. 9С, t4-t3).

По окончании импульса с прямого выхода генератора 1 прямоугольных импульсов (t4) обнуляется делитель 12 частоты на два (сигналом логической единицы на его выводе установки нуля), подача импульсов на С-входы элементов 3 и 9 прекращается. Одновременно по переднему фронту сигнала с инверсного выхода генератора 1 прямоугольных импульсов второй формирователь 13 коротких импульсов вырабатывает импульс (Вых. 13, t4), который в третьем элементе И-НЕ 16 заполняется частотой генератора 2 эталонной частоты. Эта пачка импульсов инвертируется пятым элементом И-НЕ 18 ( на его первом входе присутствует логическая единица) и поступает на С-вывод записи информации элемента 9 памяти. Происходит фиксирование информации с выходов счетчика 3.

В течение времени ts-t4 измерение не происходит, на выходе ЦАП 10 удерживается значение напряжения, соответствующее периоду Тизм, измеренному в течение времени .

Начиная с ts процесс измерения повторяется. До момента te происходит вычитание из счетчика 3, затем после переключения первого триггера 5 начинается прямой счет. Если измеряемый период удовлетворяет соотношению

Тмин Тизм Тмакс,(5)

то, когда в момент t произойдет переключение генератора 1 прямоугольных импульсов, остановится прямой счет в счетчике 3 и сигналом с выхода третьего элемента И-НЕ 16 (Вых. 16, t)через пятый элемент И-НЕ 18 (Вх. 9С, t) запишется в элемент 9 памяти число Мизм. Это число удерживается в элементе 9 памяти до прихода следующего сигнала на вывод записи информации, т.е. до окончания следующего цикла измерений.

При выполнении условия (5) напряжение на выходе ЦАП 10 в зависимости от величины измеренного периода ТИзм изменяется по линейному закону (фиг. 36, уча- сток от Тмин до Тмакс), т.е. пропорционально величине измеряемого периода.

Если измеряемая частота напряжения, вырабатываемая автономным генератором, возросла и выполняется неравенство

fM3M fB,

что соответствует

Тизм Тмин,(6)

то устройство работает следующим образом.

В момент ts переключения генератора 1 прямоугольных импульсов в счетчик 3 записывается число М(все происходящие процессы аналогичны рассмотренным). Начинается вычитание импульсов с часто- той делителя 8 из счетчика 3. Одновременно каждым сигналом с выхода первого формирователя 4 коротких импульсов (в моменты ti, ts, ts) второй триггер 11 устанавливается в состояние логической единицы на инверс- ном выходе, Если вычитание из счетчика 3 заканчивается раньше момента переключения генератора 1 прямоугольных импульсов (например, t2, te), то второй триггер 11 сигналом с прямого выхода первого триггера 5 устанавливается в состояние логического нуля на инверсном выходе,

Если выполняется условие (6), то обнуление второго триггера 11 не происходит. На третий вход второго элемента И 7 подана логическая единица. В момент tg переключения генератора 1 прямоугольных импульсов с прямого выхода второго формирователя 13 коротких импульсов на первый вход второго элемента И 7 подается импульс (Вых. 13, tg), который заполняется эталонной частотой с выхода генератора 2 эталонной частоты (Вых. 7, tg).

Полученная пачка импульсов подается на вывод установки нуля счетчика 3, на вы- ходах которого устанавливаются логические нули. Одновременно с выхода пятого элемента И-НЕ 18 подается на вывод записи информации элемента 9 памяти пачка импульсов (Вх. 9С, tg). Логические нули с выходов элемента 9 памяти через ЦАП 10 подаются на выход регулятора частоты. Таким образом происходит при условии (6) формирование зависимости выходного напряжения ЦАП 10 от длительности измеряемого периода (фиг. 36, участок вправо от Тмин). Формула изобретения Регулятор частоты автономного генератора, содержащий генератор прямоугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор эталонной частоты; счетчик импульсов, первый формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к прямому выходу генератора прямоугольных импульсов, первый RS-триггер, два логических элемента И, делитель частоты, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации частоты генератора, введены элемент памяти, цифроаналоговый преобразователь, второй RS-триггер, делитель частоты на два, второй формирователь коротких импульсов, пять логических элементов И-НЕ, задатчик числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, счетчик импульсов выполнен реверсивным, генератор прямоугольных импульсов снабжен дополнительным инвертирующим выходом, причем счетчик импульсов соединен информационным входом с задатчиком числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, входами прямого и обратного счета - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, входами предварительной установки и установки нуля - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И, информационным выходом через элемент памяти и цифроаналоговый преобразователь - с выходом регулятора частоты автономного генератора, выходами переноса младшего разряда и старшего разряда - соответственно с R-входом первого RS-триггера и счетным входом делителя частоты на два, генератор прямоугольных импульсов подключен прямым выходом к первым входам первого и второго логических элементов И-НЕ, к S-входу первого RS- триггера, соединенного инверсным и прямым выходами соответственно с вторыми входами первого и второго логических элементов И-НЕ, инвертирующим выходом - к входам установки нуля делителя частоты и делителя частоты на два, а через второй формирователь коротких импульсов - к первым входам третьего логического элемента И-НЕ и второго логического элемента И, второй вход которого соединен с первым входом четвертого логического элемента И-НЕ, с выходом генератора эталонной частоты,

со счетным входом делителя частоты, с третьим входом первого логического элемента И-НЕ и вторым входом третьего логического элемента И-НЕ, а третий вход - с инверсным выходом второго RS-триггера, подключенного S-входом к прямому выходу первого RS-триггера, R-входом - к инверсному выходу первого формирователя коротких импульсов и первому входу первого логического элемента И, с вторым входом,

0

подключенным к выходу .четвертого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты на два, и к первому входу пятого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего логического элемента И-НЕ, а выход-с входом разрешения записи информации элемента памяти, выход делителя частоты соединен с третьим входом второго логического элемента И-НЕ.

о

v/A/JHOM JB

Сущность изобретения: устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор 2 эталонной частоты, счетчик 3 импульсов, первый 4 и второй 13 формирователи коротких импульсов, первый 5 и второй 11 RS-триггеры, два, логических элемента И 6, 7, делитель частоты 8, элемент памяти 9, цифроаналоговый преобразователь 10, делитель 12 частоты на два, пять логических элементов И-НЕ 14-18. задатчик 19 числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора. 3 ил.