Преобразователь постоянного напряжения в переменное программируемой формы Советский патент 1982 года по МПК H02P13/18 H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразовательных установках с квазисинусоидальным выходным напряжением для стабилизированного прецизионного электропривода, в контрольно-испытательной аппаратуре с произвольной формой выходного сигнала.

Известны преобразователи постоянного напряжения в переменное,содержащие блок управления и блоки силовых ключей и позволяющие формировать и стабилизировать квазисинусоидальное напряжение с определенным гармоническим составом 1 - З.

К недостаткам схемы инвертора, описанной в относятся невозможность регулирования частоты выходного напряжения в широком диапазоне и невозможность получения низких и инфранйзких частот выходного напряжения, что необходимо в устройствах прецизионного электропривода аппаратуры магнитной записи, так как инверторные ячейки имеют трансформаторный выход.

Стабилизация выходного напряжения в инверторе, описанном в ,2, осуществляется путем измерения величины напряжения основной гармонической составляющей выходного напряжения и запоминания этой величины на время следующего периода, в котором поступившее воздействие отрабатывается системой управления. Таким образом, возмущающее воздействие отрабатывается устройством лишь через период вы10ходного напряжения, что приводит к существенному снижению быстродействия и точности стабилизации, особенно на низких частотах. Задержка отработки возмущающего воздействия неизбежно

15 приводит к искажению формы выходного напряжения, т.е. ухудшению его гармонического состава. Искажения формы могут быть довольно существенными, HanpHNKp при сбросе и набросе на20грузки, что в ряде случаев совершенно недопустимо.

К недостаткам инверторов, описанных в 3J - 7, относится сравнительно низкое быстродействие ста25билизации напряжения, вызванное необходимостью выделения основной гармоники выходного напряжения и использования ее для получения пропорционального ей напряжения, сравниваемого с эталонным напряжением, что возможно только по окончании по мень шей мере одного периода выходного на пряжения. Кроме того, в процессе регулирования (стабилизации) выходного напряжения имеет место значительное изменение относительного содержания гармонических составляющих Изменение гармонического состава может быть недопустимо большим (для точной аппаратуры магнитной записи) . Это объясняется значительным влиянием формы кривой напряжения (тока) питания двигателя на величину колебаний мгновенной скорости вращения двигателя, являющейся одним из важных параметров такого привода.Таким образом, в статорной обмотке двигателя необходимо формировать синусоидальное воздействие. Особенно высоки требования к равномерности скорости вращения вала при питании двигателя напряжением низкой и инфранизкой частоты (доли Гц).Использование инверторов с ШИМ выходного напряжения также не всегда рационально, так как при ШИМ напряжения питания двигателя имеет место глубокое изменение гармо нического состава, кроме того, може проявляться дискретность привода на низких частотах. Применение на выходе системы фильтров для подавления высших гармоник .и исгйзльзование прин ципа слежения за формой, выходного сигнала не всегда целесообразно,так как в системе преобразователь - двигатель может возникнуть явление кон денсаторного самовозбуждения, которое проявляется в виде устойчивых автоколебаний и в застревании дви гателя на скорости, не соответствующей частоте напряжения питания. Применение механических фильтров (маховиков) также нецелесообразно, так как существенно ухудшается дина мика системы. Таким образом, наибол предпочтительными в устройствах точ ной магнитной записи является форми рование амплитудно-модулированного напряжения питария двигателя Кроме того, рассмотренные преобразователи не позволяют программиро вать форму выходного сигнала .или за кон управления приводом и не облада ют возможностью, совместной работы с ЭВМ. К недостаткам преобразователя, описанного в 8, относятся неудовлетворительные масрогабаритные показатели, обусловленные наличием ряд источников постоянного напряжения, невысокие быстродействие и точность стабилизации, обусловленные задержкой отработки возмущающего воздействия. Задержка объясняется тем,что для отработки определенного возмущающего воздействия система должна совершить несколько циклов по контуру стабилизации, пока выработанный ею код не компенсирует возмущающее воздействие. При регулировании (стабилизации) выходного напряжения неизбежны изменения гармонического состава, так как регулировать можно только при помощи ключевых элементов, выполняющих функцию формирования формы. Кроме того, данная структура, функционируя по принципу уравновешивания. Может выходить за пределы области устойчивости, т.е. может быть структурно-неустойчивой. Наболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее модулятор,амплитудный квантователь и демодулятор на управляемь:х ключевых элементах, а также блок управления этими ключевыми (Элементами 9j К недостаткам известного преобразователя относится отсутствие возможности регулирования величины выходного напряжения в широком диапазоне. при котором обеспечивалось бы как высокое качество, так и постоянство гармонического состава напряжения во всем диапазоне регулирования. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя при повышенном качестве и постоянстве.гармонического состава его выходного напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в схему преобразователя постоянного напряжения в переменное программируемой формы, содержащую последовательно соединенные модулятор, амплитудный квантова:тель и демодулятор с управляемыми ключевыми элементами, а также блок управления этими ключевыми элементами, последовательно соединенные измерительный выпрямитель, входом подключенный к выходу демодулятора, аналого-цифровой блок,цифровой вычитатель и блок инверсии,причем амплитудный квантователь выполнен в виде m последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки, введен цифровой сумматор, один из входов которого соединен с информационным выходом блока управления, а выход подключен к другому входу цифрового вычитателя, причем амплитудный квантователь дополнительно снабжен п последовательно соединенными по выходу силовыми ячейками, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух

ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки, при этом управляющие электроды ключевых элементов силовых ячеек поразрядно связаны с п выходами блока инверсии.

На фиг, 1 представлена функциональная блок-схема преобразователяj на фиг. 2 - схема амплитудного квантователя j на фиг. 3 - пример реализации блока управления; на фиг. 4 пример выполнения схемы сравнения кодов; на фиг, 5 - пример реализации цифрового сумматора; на фиг.6 диаграммы, иллюстрирующие импульсы управления ключами квантователя и форму выходного напряжения для двух случаев управляющего кода Q.

Функциональная блок-схема преобразователя (фиг. 1) содержит последовательно соединенные модулятор 1, квантователь 2, демодулятор 3 на управляющих ключевых элементах с двусторонней проводимостью, причем модулятор 1 и демодулятор 3 могут быть выполнены, например, по мостовой схеме инвертора напряжения, а амплитудный квантователь 2 выполнен в виде m последовательно соединенных по выходу силовых ячеек , каждая из которых представляет собой заг-жнутую 1цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, блок 4 управления ключевыми элементами этих блоков, а также измерительный выпрямитель 5, входом подключенный к выходу демодулятора 3, аналого-цифровой блок б, входом подключенный к выходу измерительного выпрямителя 5, цифровой вычитатель 7, одним из входов подключенный к выходу аналого-цифрового блока б, цифровой сумматор 8,один из выходов которого соединен с информационным входом блока 4 управления, на второй его выход подается управляющее воздействие Q, а выход подключен к другому выходу цифрового вычитателя 7, и блок 9 инверсии , входами соединенный с выходами цифрового вычитателя 7. Квантователь 2 дополнительно снабжен п последовательно соединенными по выходу силовыми ячейками, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки,при этом управляющие электроды ключевых элементов дополнительно введенных силовых ячеек поразрядно связаны с п выходами блока 9 инверсии. Выход демодулятора 3 является выходом пре-. образователя.

Преобразователь работает следующим образом.

На информационном выходе блока 4 управления формируется ДВОИЧНЕЛЙ параллельный многоразрядный код X, в любой момент времени соответствующий величине аппроксимирующего выходного переменного напряжения, например квазисинусоидального.

Модулятор 1 вырабатывает высокочастотное напряжение типа меандр.

0;Блок управления осуществляет коммутацию ключей К, IC,,.. . и К 21-, / К д квантователя 2 (фиг. 2) в соответствии с двоичным алгоритмом управления, включая эти ключи в определенные моменты времени. При этом на выходе квантователя 2 формируется импульсное амплитудно-модулированное напряжение, которое после демодуляции представляет собой дискретную

Q аппроксимацию синусоидального сигнала. Напряжение на обмотках высокочас тотного трансформатора квантователя 2, которые подключены к ключам и , выполняющих функцию фррмирова5 ния сигнала, пропорциональны весам двоичных разрядов U Uo 2° U,j. Up- 2, и„ ,где и„ - шаг квантования.

Однако величина выходного переменного напряжения по ряду может, не соответствовать управляющему коду, вырабатываемому блоком 4 управления. Квазисинусоидальное напряжение с выхода демодулятора 3 после выпрямления (выпрямителем 5) поступает на вход аналого-цифрового блока 6, где преобразуется в двоичный многоразрядный код Y.

Код Y соответствует величине реального выходного напряжения. Одновременно код X, соответствующий требуемому выходьому напряжению, поступает на один из входов цифрового сумматора 8, где суммируется с управляю5 Щим воздействием - кодом Q. Сумма этих кодов X+Q поступает на один из входов цифрового вычитателя 7.На второй его вход поступает код Y.После вычитания кода У из кода X+Q управляю. щее воздействие X+Q-Y поступает на входы блока 9 инверсии, который реализует отрицательность контура обратной Связи. Блок 9 инверсии представляет собой набор обычных инверторов (элементов НЕ) по числу разрядов управляющего кода. Таким образом, на выходе блока 9 инверсии формируется обратный код X+Q-Y, который управляет ключевыми элементами , К,... , и , , .,,, дополнительно введенных

силовых ячеек квантователя 2 (фиг. 2), Напряжение на дополнительных обмотках трансформатора квантователя 2 также пропорциональны двоичных разрядов, но шаг квантования Up может

5 и не соответствовать шагу квантова- .

Uj, силовых ячеек,

1Я

и т

ф.ункцию формирования:

и; lJ 2 и; u;-2

и - и- . , и.. - ил -

в равновесном состоянии, когда регшьное выходное напряжение соответствует требуемому, т.е. код X равен коду Y, число включенных ключей К)( квантователя 2 соответствует коду Q.

Поддерживается общий коэффициент трансформации квантователя, обеспечивающий равновесное состояние. При уменьшении выходного напряжения код Y становится меньше X и тем более меньше кода X+Q. На выходе вычитателя 7 формируется код, который превышает Q на величину X-Y, при этом на выходе блока 9 инверсии будет код который меньше кода Q на величину Х-Т,„т.е. Q-t-X-Y,

Таким образом, этот код соответствует уменьшению числа включенных ключей К/ , т.е. уменьшению общего коэффициента трансформации квантователя 2, причем ровно на столько, чтобы скомпенсировать падение выходного напряжения, т.е. на величину X-Y.

Изменяя регулирующее воздействие Q, можно регулировать Ьеличину выходного напряжения в широких пределах, т.е. в пределах от минимально возможного до максимально возможного общего коэффициента трансформации квантователя 2.

Таким образом, цифровые сумматор и вычитатель, а .также блок инверсии, реализующие функцию X+Q-Y и установленные в цепи обратной связи,обеспечивает как стабилизацию, так и регулирование выходного напряжения,причем не искажая форму выходного сигнала.:

Для более ясного представления о работе преобразователя целесообразно рассмотреть работу блока 4 управления (фиг. 3). Бдок 4 управления вырабатывает сигналы, синхронно коммутирующие ключевые элементы преобразо вателя, и включает з себя задающий генератор 10, управляемый делитель 11 частоты, счетчик 12 длительности ступеней, постоянное запоминающее устройство 13 (ПЗУ), реверсивный счетчик 14 управления ключами квантователя; триггер 15 управления реверсивным счетчиком, триггер 16 управления ключами демодулятора,схему 17 сравнения кодов, а также элементы 18-21, необходимые для функционирования блока управления.

ПЗУ содержит числа, записанные в двоичном коде, которые соответствуют длительностям ступеней выходного напряжения, причем абсолютная длительность ступени определяется по формуле

TO.

где Т - период импульса задающего

генератора;

число, соответствующее длительности i-й ступени. Работу схемы удобнее рассматривать,

0 начиная с момента времени, когда в спетчиках 12 и 14 записаны нулевые коды, а триггер 15 находится в состоянии 1. При этом на выходе ПЗУ 13 устанавливается код, выбираемый по

5 адресу О и соответствующий длительности нулевой ступени. На счетный выход счетчика 12 непрерывно поступают импульсы опорной частоты. При наборе в счетчике 12 кода,соответствующего длительности первой ступени, сигнал с выхода схемы 17 сравнения кодов через открытую схему 18 совпадения поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 14. При этом изменяется его состояние на 1. KpOMfj того, обнуляется счетчик 12. Изменение состояния счетчика 14 вызывает изменение информации на выходе ПЗУ, которая теперь соответствует длительности первой ступени, а также

вызывает включение источника IL в квантователе.

Счетчик 12 длительности ступеней повторно заполняется импульсами гене ратора 10 до того момента, пока не произойдет набор кода, соответствующего длительности первой ступени,поступающей с ПЗУ.

Аналогичным образом происходит формирование управляющего кода реверсивного счетчика 14 для всех последующих ступеней первой четверти периода, за исключением верхней ступени .

5 В ПЗУ записывается число, соответствующее половине длительности верхней ступени. При наборе этого кода в счетчике 12 импульс со схемы 17 сравнения переполняет реверсивный счетчик 14 (его состояние становится

000... 0). Импульс переполнения счетчика 14 с выхода +Р опрокидывает триггер 15 и задним фронтом через сборку 19 вычитает единицу из счетчи5 Таким образом, после формирования первой половины верхней ступени выход схемы 17 сравнения оказывается подключенным к вычитающему входу счетчика 14, а его состояние QJlll..., т.е. с выхода ПЗУ подается код, соответствующий длительности половины верхней ступени.

При наборе в счетчике 12 кода, соответстЕующего половине верхней ступени, импульс с выхода схемы 17

сравнения поступает на вычитающий вход счетчика 14 и уменьшает его состояние на единицу и т.д. При переходе счетчика 14 через О происходит опрокидывание тригге ров 15 и 16 и аналогично формируетс отрицательная полуволна вьоходного н пряжения. Триггер 16 и cxeNSd 20 и 2 служат для управления работой ключе демодулятора 3. Реверс импульсов управления ключами блока 3 происходит в моменты перехода кривой выход ного напряжения через О. Синхрони ция реверса осуществляется импульсо с выхода -Р реверсивного счетчика 1 В качестве ПЗУ может использоваться микросхема К505РР1 (программируемое постоянное запоминающее устройство) микросхемы К505РЕЗ или 1601РР1, обладающие возможностью стирания и хр нения информации при отсутствии напряжения питания. На фиг. 4 предста лен вариант исполнения схемы 17 сра нения кодов рязрядностью М с поразрядным сравнением. Для обеспечения глубокого регулирования частоты вйходного напряжения преобразователя блок 4 управления содержи,т управляемый делитель 1 часто.ты, который изменяет час: эту опроса ПЗУ. Таким образом, регулирование частоты выходного напряжения -также не искажает .форму выходного напряжения, В качестве делителя 11 может использоваться кодоуправляе1 ий делитель (микросхема К155ИЕ8),у которогоf - R- fw ВЫХ 04 где R - управляющее воздействие. На фиг. 5 представлен вариант выполнения цифрового сумматора 8 на основе одноразрядных комбинационных сумматоров с последовательным переносом. Цифровой вычитатель реализуется аналогично сумматору, за исключением того, что вычитаемое число (например Y) подается на входы вычитателя в обратном коде, В качестве аналого-цифрового блока б используется обычный аналогоцифровой преобразователь. На фиг. б представлена диаграмма, иллюстрирующая импульсы управления ключами квантования 2, обеспечивающие формирование квазисинусоидального выходного напряжения, а также форма выходного напряжения при двух различных кодах управляющего воздействия Q. Как видно из диаграммы, коды Q- определяют- только различные шаги квантования сигнала по уровню посред ством изменения коэффициента трансформации квантователя 2, не искажая форму сигнала. Технико-экономический эффект от использования предлагаемого устройства состоит в том, что использование новых блоков и связей обеспечивает не только высококачественную стабилизацию, но и глубокое регулирование параметров выходного напряжения произвольной формы. Стабилизация характеризуется максимально возможным быс±родействием и высокой точностью, так как для отработки возмущающего воздействия система должна совершать только один цикл по контуру стабилизации, что обеспечивает формирование кода, полностью компенсирующего возмущение. Преобразователь обеспечивает глубокое и независимое регулирование величины выходного напряжения и его частоты, в том числе инфранизкой, причем как регулирование, так и стабилизация совершенно не искажают заданную форму выходного напряжения. Следует подчеркнуть простоту процесса программирования формы и схемотехнической реализации преобразователя. Задание управляющих воздействие в цифровом коде и создание преобразователя, использующего принципы импульсно-кодовой модуляции, не только сохраняет высокую точность системы и существенно упрощает ее связь с ЭВМ, но и обеспечивает линейность законов управления, что играет существенную роль в целом ряде устройств прецизионных систем электропитания. Кроме того, предлагаемая структура преобразователя в отличие от известных относится к классу релейных САР и является структурно-устойчивой.„ При использовании преобразователя для питания синхронного микродвигателя тип ДСП-25 при регулировании частоты от 25 до 400 Гц и при наличии четырех формирующих и четырех регулирующих силовых ячеек в квантователе коэффициент искажения синусоидальности кривой выходного напряжения остается строго постоянным как в установившемся, так и в переходном режимах и составляет 2%. Это позволяет использовать предлагаемое решение в аппаратуре прецизиoHHfcjx систем электропитания: прецизионном частотно-регулируемом электроприводе , контрольно-испытательной аппаратуре с произвольной формой выходного сигнала, иммитаторах, исполнительных органах АСУ. Формула изобретения Преобразователь постоянного напряжения в переменное программируемой формы, содержа111ий пос/гедовательно соединенные модулятор, амплитудный квантователь и демодулятор с управляемыми ключевыми элементами, блок управления этими ключевыми элементами а также последовательно соединенные измерительный выпрямитель, входом подключенный к выходу демодулятора, аналого-цифровой блок, цифровой вычитатель и блок инверсии, причем амплитудный квантователь выполнен в виде m последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки, отличающ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя при повышенном качестве и постоянстве гармонического состава его выходного напряжения, в-него введен цифровой сумматор, один из входов которого соединен с информационным выходом блока управле ния, а выход подключен к другому вхо ду цифрового вычитателя, причем ампл тудный квантователь дополнительно снабжен п последовательно соединенны ми по выходу силовыми ячейками, каждая из которых представляет собой 3aN KHyTyro цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образую выходы ячейки, при этом управляющие электроды ключевых элементов силовых ячеек поразрядно связаны с п выходс1ми блока инверсии. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 505104, кл, Н 02 М 7/48, 1971. 2.Егоров BiA., Кисляков Ю.В., Обухов С.Г. Регулирование и стабилизация выходно1:О напряжения инвертора напряжения. - В кн. Современные задачи преобразовательной техники, Киев изд-во ИЭД АН УССР, 1975, с. 4, 157-165. 3.Патент США № 3473039,кл.307-11, 1977. Патент США № 3697768,кл.307-31, 5.Заявка Великобритании fl288741, кл. Н 02 J 3/12, 1978. 6.Заявка Франции № 2178806, кл. Н 02 Р 13/00, 1973. 7.Заявка ФРГ № 1513228, кл. Н 02 Р 13/20, 1974. 8. Авторское свидетельство СССР № 813629, кл. Н 02 М 7/48, 1979. 9. Гусев С.И., Сенько В.И., Смирнов В.С.,Торопчинрв Ю.К. Принципы построения прецизионных преобразователей с программируемой формой выходного напряжения. - Техническая электродинамика, Киев. Наукова думка, 1980, вып. 5, с. 49-55 (прог тотип).