Двухпозиционная система регулирования тока Советский патент 1982 года по МПК G05F1/10 

(З) ДВУХПОЗИЦИОННЛЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА

{Изобретение относится к импульсным системам автоматического регулирования и может быть использовано в электроприводах систем автоматики.

Известна двухпозициоиная система регулирования тока с несимметричным законом переключения, состоящая из сравнивающего элемента, схемь) формирования , ключевого преобразователя, измерителя тока и нагрузки. Схема формирования включает в себя два триггера, четыре компаратора уровни с изменяемым порогом срабатывания и четыре запоминающих элементаС З. Такая система осуществляет несимметричный закон переключения силовых ключей, при котором, как известно, требуемая частота коммутации при заданной величине пульсаций тока в два раза ниже, чем при симметричном законе а, соответственно,. и ыше энергетические показатели системы. Одна она обладает люфтом по входному сигналу, т.е. в некоторой области изменения входного сигнала управления силовые ключи не включаются и в нагрузке ток отсутствует. Регулировочная характеристика оказывается нелинейной, что не позволяет применять такую систему в устройствах с высокими требованиями к показателям качества регулирования.

10

Наиболее близкой к предлагаемой является двухпозиционная система регулирования тока, содержащая соединенные последовательно источник входного сигнала, компаратор уровня, ло15гическое устройство, ключевой преобразователь напряжения, цепь нагрузки и датчик тока, выход которого по/цключен ко второму входу компаратора уровня .

20

Компаратор уровня обладает харак тер1истикой типа гистерезис и переключается 8 то или другое состояние, когда сигнал с выхода датчика тока становится больше или меньше входного сигнала управления на вели- чину, определяемую шириной петли гистерезиса. Ширина петли гйстере,эиса равна &у. Такая система регулирования тока имеет линейную регулировочную характеристику во всем диапазоне изменени входного сигнала,что обеспечивается -благодаря симметричному закону переключения силовых ключей, который характеризуется тем., что на нагрузку всегда подается двуполярное прямоугольное напряжение. Однако это же и обуславливает низкие энергетически показатели системы, так как при симметричном законе коммутации требуется повышенная частота переключения силовых ключей при заданной величине пульсаций тока. Целью изобретения является повышение энергетических показателей системы при сохранении линейности регулировочной характеристики. Поставленная цель достигается тем, что в двухпоэиционную систему регулирования тока, содержащую соединенные последовательно источник входного сигнала, компаратор уровня, логическое устройство, ключевойпреобразователь напряжения, иепЬ(,нагруз ки и датчик тока, причем выход датчи ка тока подключен ко второму входу компаратора уровня, введены второй и третий компараторы уровня и дифференцирующая цепь, причем второй компаратор уровня подключен одним входом к выходу первого компаратора, другим входом - к датчику тока, и вь1ходом подключен через д(«(|ференцирующую цепь ко входу третьего компаратора уровня, второй вход которого подключен к источнику входного сигна ла , а третий вход - к датчику тока, и каждый из выходов введенных компараторов уровня - к соответствующему входу логического устройства. На фиг. 1 приведена функциональна схема регулирования тока; на фиг. 2 и 3 - Диаграммы, поясняющие ее рабоВ состав системы входит источник входного сигнала (ИВС), .первый компаратор уровня (КУ) второй компара тор уровня (КУ2), третий компаратор .уровня (КУЗ), выполненные, например, на операционных усилителях, дифферен цирующая цепь (ДЦ), логическое устройство (Л), ключевой преобразова514 . тель (КП), выполненный, например, по мостовой схеме, нагрузка (Н), датчик тока (ДТ). Выход иве подключен к первому, ВХОДУ КУТ и ко второму входу КУЗ. Вторые входы КУ1 и КУ2 и третий вход КУЗ подключены к выходу ДТ. Выход КУ1 подключен к первому входу Л и к первому входу 1(У2. Выход КУ2 пОдключей ко второму входу Л и через дифференцирующую цепь к первому входу КУЗ. Выход КУЗ подключен к третьему входу Л. Система регулирования тока работает следующим образом. ку1 и.КУЗ имеют характеристику типа гистерезис. Переключение выходного сигнала КУ1 из отрицательного состоян1 1я в положительное происходит при выполнении условия . () а из положительного в отрицательноепри - идт-+ ,j. (2) Переключение КУЗ происходит соответст венно при Uд. . 3 со Причем , ли, . т.е, ширина пет Ли ,- - -j-,. , -Гистерезиса КУЗ больше, чем ширина петли KVf. Переключение КУ2 происходит при изменении знака суммы , где и - сигнал с выхода КУ1. Из отрицательного состояния в положительное КУ2 переклю-1ается при о (5) и обратно при JAT 1 О (6) Напряжение на выходе ДЦ представляет собой узкий импульс, возникающий в момент перехода КУ2 из одного состояния в другое. Оно имеет положительную полярность при перехо-де КУ2 из отрицательного состояния в положительное и отрицательную полярность при обратном переходе КУ2. При работе с ключевым преобразователем, еыполенным по мостовой схеме, логическое устройство может функционировать, например, согласно следзЮщим логическим уравнениям: V iJ -Ua0 : (7) V, -U Oa-U-j (8) V Ua.(UiVO-) (9) V4 -Ua(U4VUvj) (10) где V , V, V, V - сигналы управле ния силрвь1ми ключами К1, К2, КЗ, К соответственно; причем соответст вует замкнутому состоянию ключа, а - разомкнутом. 1 2.. и -5 - выходные сигналы ком параторов КУЛ, КУ2, КУЗ соответствен но, положительные значения которых приняты за логическую схему, а отринательные - за логический нуль. Эпюры напряжений, характеризуюi; иЕие электромагнитные процессы в системе, приведены на фиг.2 и 3. Фиг. 2 иллюстрирует работу системы при , а фиг. 3 - при 0. При нулевом входном сигнале в начальный момент времени (t) ток .равен нулю и U.0. Компаратор уровня КУ1 находится в одном из двух ус тойчивых состояний, предположим, что напряжение на его выходе положитепьное Ц,7 0. Тогда на выходе КУ2 напряЖение U2,0. При переходе КУ2 в отрит цательное состояние на выходе дифференцирующей цепочки 5 формируется импульс отрицательной полярности такой, что выполняется условие (3) и КУЗ переходит в состояние, при котором на выходе формируется положи тельное напряжение UnVO. Такая комбинация сигналав,на выходах компараторов обеспечивает посредством логического устройства включение ключей К2 и К (.уравнение (8), {ЮК в ре зультате чего на нагрузку подается напряжение источника питания. Ток нагрузки возрастает и соответстве нс возрастает напряжение на выходе Датчика тока 5 момент времени tj напряжение Цл и выполняетсй условие (2) с рокидывания КУГ. КУТ скачком переходит з другое устойчивое состояние. При котором . IПри этом в соответствии с (8) В(1ключа ется ключ К2, ток нагрузки нач;-нает спадать, замыкаясь через Kk и .ДЗ. fc Напряжение на нагрузке при этом pasiно нулю. В момент времени t o6ectieчивается условие (5 ) переключений КУ Компаратор КУ2 опрокидывается в поло жительное состояние и через дифцепоч ку опрокидывает КУЗ в отрицательное состояние. При этом логическое устройство обеспечивает закрывание ктяоча и открывание ключей К1 и КЗ, -в результате чего к нагрузке подключа:ется напряжение противоположной полярности. Ток нагрузки при этом вначале спадает до нуля, протекая через Д1 ДЗ против источника питания, а затем йарасТает в противоположном направлениИ| протекая через К1, К3 В момент времени i выполняется условие (1). КУ1 возвращается в исходное состояние, В результате включается К1 и ток нагрузки замыкается через КЗ и Д . В момент времени t2 выnoлняется условие (6), КУ2 опрокидываетря в положительное состояние и воздействует через дифцепочку на КУЗ таКИМ образом, что КУЗ переходит в отрицательное состояние. При этом выключается ключ КЗ и включаются ключи К2, К . Ток нагрузки вначале протекает через диоды Д2, ДЦ встречно с ЭДС источника питания, а затем, нарастает, протекая через К2, К. Далее процесс повторяется. Напряжение на нагрузке в этом режиме представляет собой последовательность разнополярных импульсов, чередующихся с паузами нулевого .напряжения (фиг. 2) В результате в окрестности нулевого значения входного сигнала система не (имеет мертвой зоны,когда ток отсутстIвует,а обеспечивает протекание тока в ;-нагрузке с заданной амплитудой пульсаций, как и при симметричном законе переключения силовых ключей,однако с частотой коммутации значительно меньше. При ILv J О процессы в системе про- текают аналогично, с той лишь разницей, что КУ2 находится всегда в одном состоянии и включаются ключи либо четной, либо нечетной групп. Рассмотрим подробнее работу системы при {фиг. 3). В момент t ток нагрузки равен нулю и, соответственно, . При этом выполняется условие (1) и КУ1 находится в таком состоянии, что напряжение на его выходе . Поскольку О, т.е. выполняется условие (6), то КУ2 находится в таком состоянии, что . Выходной сигнал КУЗ при этом больше нуля. Такая комбинация выходных сигналов компараторов в соответствии с уравнениями (7)-(10) обеспечивает включение ключей К2, К и ток нагрузки возрастает. Удт также возрастает, становится больше, чем () ив момент i времени Ц выполняется условие (2). КУ1 опрокидывается и при этом выключается К2. Ток нагрузки спадает, замыкаясь через К, ДЗ. В момент вре-г мени 12 выполняется условие (1) и КУ1 вновь опрокидывается, включая ключ К2. Ток нагрузки вновь возрастает. Цалее процессы повторяются. Если нагрузка обладает активной ЭДС Снапример, якорь электродвигателя) , то возможен такой режим, что ток продолжает нарастать даже, когда включен только один ключ. Такой режим показан на фиг.3 начиная с момента времени t j . В момент 1.4 выполняется условие опрокидывается, КУЗ Приэтом логическое устройство перестраивается таким образом, что прии О вкл очаются ключи нечетной группы (К1, КЗ), а при U О включается один из ключей четной группы {К2 или КУ4. ripli этомэнергия возвращает ся в источник и ток нагрузки пульсирует так, Ч|ГО амплитуда пульсаций сигнала датцика тока равна AU, а гладкая составляющая сигнала датчика тока равна Оцу. активная ЭДС нагрузки изменяется так, что ток нагрузки будет спадать при протекани через один ключ и диод ( начиная с мо мента fc) , то через некоторое время наступит момент, когда будет выполняться условие (ЗУ и КУЗ опрокидыва ется в исходное состояние. Логическое устройство перестраивается так, что при открывается один из клмче четнс|й группы К2 или К , а при и 0 открываются оба ключа четной группы (уравнения 7 - 10), т.е. осущес твляется режим потребления энергии из источника. Напряжение на нагрузке в этих режимах однополярно (фиг.З). Как виднс| из вышеизложенного, в системе осуи ествляется несимметричный закон переключения силовых ключей. В результате требуемая частота коммутации для обеспечения той же амплитуды пульсаций тока нагрузки уменьшается по сравнению с симметрич ным законом более, чем в два раза. Это в свою очередь приводит к снижению коммутационных потерь, которые при работе импульсного преобразователя в системах быстродействующего электропривода составляют основную ДОЛЮ потерь в преобразователе. При этом предлагаемая система регулирования не имеет зоны нечувствительности в области малых значений входных сигналов управления, т.е. обладает линейной регулировочной характеристикой. Формула изобретения Двухпозиционная система регулирования тока, содержащая соединенные последовательно источник входного сигнала, компаратор уровня, логическое устройство, ключевой преобразователь напряжения, цепь нагрузки и датчик тока, выход которого подключен к второму входу компаратора уровня,-отличающаяся тем, что, с целью повышения энергети чсских показателей при сохранении линейности регулироврчьси характеристики, в нее введены дополнительно второй и третий компараторы уровня и дифференцирующая цепь, причем второй компаратор уровня подключен одним входом к выходу первого компаратора, другим входом - к датчику тока и выходом подключен через дифференцирующую цепь к входу третьего компаратора уровня, второй вход которого подключен к источнику входного сигнала, а третий вход - к датчику тока, каждый из выходов введенных компараторов подключен к соответствующему входу логического устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым упрравлением , М., Энергия 197, с.75, 115, по. 2,Feichter Franz Reaktionsschlelle Servoverstarkerreduzferen Verlust leistunq von Motoren, Maschijne, 1976, 30, ff 10, 37-39.

КП

L

I

L

H

ЛТ

f. pf Фи,2 if ti t3 ttt ty is t7 t8

(puf. is fO 11