Широтно-импульсный модулятор для управления усилителем мощности

 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в системах управления электроприводами постоянного тока. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости широтноимпульсного модулятора для управления усилителем мощности при малых значениях управляющего напряжения - достигается введением двухвходового логического элемента ИЛИ 17, двух логических элементов 2И-2ИЛИ 14, 15, ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи, источника 16 опорного напряжения, первого и второго D-триггеров 12 и 13. Модулятор также содержит источник 1 управляющего напряжения , генератор 2 тактовых импульсов, Т-триггер 3, первый и второй коммутаторы 4 и 5, первый и второй формирователи 6 и 7 импульсов сброса, первый и второй интеграторы 8 и 9 со сбросом, первый и второй компараторы 10-и 11, первый и второй логические элементы НЕ 19 и 20. 4 ил. (/ С

CO)03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 К 7/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4737578/21 (22) 07.08.89 (46) 07.03.92. Бюл. К.. 9 (71) Владимирский политехнический институт (72) С.И. Малафеев, B,С. Мамай и А,M. Лихтциндер (53) 621.374(088.8) (56) Авторское свидетел ьство СССР

N 1660157, кл, Н 03 К 7/08, 1990.

Авторское свидетельство СССР

N . 1557673. кл, Н 03 К 7/08, 1988. (54) ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫИ МОДУЛЯТОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕМ

МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в системах.управления электропривода4

„„5U„„1718375 А1 ми постоянного тока. Цель изобретения— повышение помехоустойчивости широтноимпульсного модулятора для управления усилителем мощности при малыхзначениях управляющего напряжения — достигается введением двухвходового логического элемента ИЛИ 17, двух логических элементов

2И вЂ” 2ИЛИ 14, 15, ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи. источника 16 опорного напряжения, первого и второго

D-триггеров 12 и 13. Модулятор также содержит источник 1 управляющего напряжения, генератор 2 тактовых импульсов, T-триггер 3, первый и второй коммутаторы 4 и 5, первый и второй формирователи 6 и 7 импульсов сброса, первый и второй интеграторы 8 и 9 со сбросом, первый и второй компараторы 10 и 11, первый и второй логические элементы НЕ 19 и 20. 4 ил.

1718375

20

40

50

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в системах управления электроприводами постоянного тока, Цель изобретения — повышение помехоустойчивости широтно-импульсного модулятора для управления усилителем мощности при малых значениях управляющего напряжения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема широтно-импульсного модулятора; на фиг. 2 — схема мостового транзисторного усилителя мощности, управляемого с помощью широтно-импульсного модулятора обозначения: 21-24 — транзисторные ключи; 25 — нагрузка, например двигатель постоянного тока; Š— напряжение источника питания); на фиг. 3 и 4 — временные диаграммы, поясняющие принцип действия широтно-импульсного модулятора для управления усилителем мощности при положительном и отрицательном управляющих сопряжениях соответственно (обозначения: U — управляющее напряжение, Т вЂ” период следования тактовых импульсов; выходные сигналы элементов модулятора обозначены символом О с индексами, соответствующими номерам элементов на функциональной схеме (на фиг. 1).

Модулятор содержит источник 1 управляющего напряжения, генератор 2 тактовых импульсов, Т-триггер 3, первый 4 и второй 5 коммутаторы, первый 6 и второй 7 формирователи импульсов сброса, первый 8 и второй

9 интеграторы со сбросом, первый 10 и второй 11 компараторы, первый 12 и второй 13

0-триггеры, первый 14 и второй 15 логические элементы 2И вЂ” 2ИЛИ, источник 16 опорного напряжения, двухвходовой логический элемент ИЛИ 17, ключ 18 с управляемым коэффициентам передачи, первый 19 и второй 20 логические элементы Н Е.

В широтно-импульсном преобразователе для управления мостовым усилителем выход генератора 2 тактовых импульсов соединен с входом Т-триггера 3, прямой и инверсный выходы которого подключены к входам соответственно первого 6 и второго

7 формирователей импульсов сброса, первые и вторые информационные входы первого 4 и второго 5 коммутаторов обьединены попарно и подключены к выходам соответственно источника 1 управляющего напряжения и ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи, управляющие входы первого 4 и второго 5 коммутаторов подключены соответственно к прямому и инверсному выходам Т-триггера 3, выходы первого 4 и второго 5 коммутаторов подключены к информационным входам соответственно первого 8 и второго 9 интеграторов со сбросом, установочные входы которых подключены к выходам соответственно первого

6 и второго 7 формирователей импульсов сброса, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого 10 и второго

11 компараторов, вторые входы которых подключены к шине нулевого потенциала, а выходы соединены с 0-входами соответственно первого 12 и второго 13 D-триггеров и первыми входами соответственно первого

14 и второго 17 логических элементов 2И—

2ИЛИ, третьи входы которых объединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента ИЛИ 16 и подключены к выходам соответственно первого 12 и второго 13 О-триггеров, второй и четвертый входы первого логического элемента 2И—

2ИЛИ 14 объединены соответственно с четвертым и вторым входами второго логического элемента 2И вЂ” 2ИЛИ 17 и подключены соответственно к прямому и инверсному выходами Т-триггера 3, информационный вход ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи подключен к выходу источника 1 опорного напряжения, а управляющий вход соединен с выходом логического элемента ИЛИ 16, выходы первого 14 и второго 17 логических элементов

2И вЂ” 2ИЛИ соединены с входами первого 19 и второго 20 логических элементов НЕ, выходы которых совместно с выходами логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ 14 и 17 являются выходами устройства.

Модулятор работает следующим образом.

Генератор 2 тактовых импульсов формирует импульсы с периодом следования Т, которые поступают на вход триггера 3, На прямом и инверсном выходах Т-триггера 3 при этом формируются две противофазные последовательности прямоугольных импульсов с периодом 2Т. Эти последовательности определяют состояние первого и второго коммутаторов 4 и 5, При 0з = О, Оз =

=-, где Ъe — напряжение, соответствущее уровню логической единицы, первый коммутатор 4 находится в положении а, а второй

5 — в положении б. При Оз = Lе и Оз = О, наоборот, первый коммутатор 4 находится в положении б, а второй 5 — в положении а.

Кроме того, сигналы 0з и 0з поступают на входы соответственно первого 6 и второго 7 формирователей импульсов сброса, которые по отрицательным эффектам входных импульсов формируют короткие импульсы

Ug и Ul, устанавливающие интеграторы 8 и

9 в исходное состояние 0в = О, Ug = 0

Так как управляющие входы коммутаторов подключены соответственно к прямому

1718375

20

30

08 = К8 / Uydt;

40

55 и инверсному выходам триггера 3, то они всегда находятся в противоположных состояниях (соответственно а и б или б и а) и подключают к входам интеграторов 8 и 9 поочередно управляющее напряжение Uy или постоянное опорное напряжение -to или +Le, которое формируется на выходе кгюча 18 с управляемым коэффициентом передачи, Таким образом, интеграторы 8 и

9 работают аналогично, но в противофазе.

При этом работа каждого интегратора происходит в два такта одинаковой длительности T. В начальный момент т = О первый интегратор 8 выходным импульсом U8 первого формирователя импульсов установлен в состояние 08 = О. На выходе второго интегратора 9 при t = О имеется начальное напряжение Ug(0). В первом такте при Осtc, Т на прямом выходе триггера 3 действует сигнал с уровнем логического "О", а на инверсном — логической "1" l e, следовательно, первый коммутатор 4 находитея в состоянии а, а втооой коммутатор 5 в состоянии б.

К входу первого интегратора 8 приложено управляющее напряжение Uy, а к входу второго интегратора 9 — постоянное опорное напряжение U18, поступающее с выхода ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи, Знак напряжения V18 определяется состоянием логического элемента ИЛИ

17; при 017 = О 018 = (о, при U17 = be 018 =

=-1Д. Состояние логического элемента ИЛИ

17 в свою очередь определяется выходными сигналами первого 12 и второго 13 0триггеров, которые устанавливаются s. зависимости от выходных напряжений соответственно первого 10 и второго 11 компараторов в моменты времени, соответствующие положительным фронтам импульсных последовательностей 0з и 0з, поступающих на С-входы D-триггеров 12 и

13 с прямого и инверсного выходов Т-триггера 3, При положительном управляющем напряжении Uy выходное напряжение одного из интеграторов 8 или 9 в моменты, соответстйующие тактовым импульсам U2, всегда положительно (фиг. 3). Следовательно, в эти моменты один из D-триггеров 12 или 13 устанавливается в состояние, соответствующее действию на его выходе логической "1", Un =Me ИЛИ 01З =Ъ е, СЛЕдОВатЕЛЬНО, НаПряжение на выходе логического элемента ИЛИ

17 в этом случае соответствует уровню логической еДиниЦы U18 =lie, и на выхоДе ключа

18 с управляемым коэффициентом передачи действует напряжение U18 = -Lo.

При отрицательном входном напряжении Uy < О (фиг. 4) напряжения на выходах интеграторов 8 и 9 в моменты, соответствующие тактовым импульсам Uz, отрицательны. Следовательно, в эти моменты оба

D-триггера 12 и 13 устанавливаются в состояния Уа = О; 01з = О, сигнал на выходе логического элемента ИЛИ 17 U17 = О и выходкое напряжение ключа 18 с управляемым коэффициентом передайи равно U18 =

=О.

Установка знака опорного напряжения

U1a = Le 8 зависимости от интеграла от выходного управляющего напряжения в моменты, соответствующие тактовым импульсам Uz, обеспечивает повышенную помехоустойчивость модулятора по сравнению с известными техническими решениями. На фиг. 3 и 4 приведены временные диаграммы работы предлагаемого модулятора при малом уровне входного управляющего напряжения Uy и действии импульсных помех. Из диаграмм следует, что в случаях, когда входное управляющее напряжение изменяет знак неоднократно в течение одного периода следования тактовых импульсов, выходные напряжения интеграторов 8 и 9 также изменяют знаки, но это не приводит к сбоям широтно-импульсного модулятора в течение одного периода.

Рассмотрим работу широтно-импульсного модулятора для управления усилителем мощности. При положительном входном управляющем напряжении Uy > О.

В первом такте (О < t < Т) выходные напря>кения первого и второго интеграторов 8 и 9 определяются выражениями соответственно

Uy = 09(0) — Kg ) Updt, о. где К8 и Kg — коэффициенты передачи интеграторов 8 и 9 соответственно, Напряжение на выходе первого интегратора 8 при постоянном входном сигнале линейно нарастает по закону Ua = KaVyt u поло>кительно. На выходе последовательно соединенного с ним компаратора 10 на протяжении всего такта выходное напряжение остается неизменным, равным уровню логической единицы U10 = ье.

На выходе второго интегратора 9 напря>кение изменяется от Uy(0) = KgUyT > О в соответствии с выражением Ug(t) = KgUyT—

KgUet < О, так как U18 = -Я на этом такте. В результате напряжение на выходе второго компаратора 11 в момент времени t1 скачком изменится от1 е до О. В конце первого такта при t = Т выходное напряжение второго интегратора 9 выходным импульсом U7

1718375 второго формирователя 7 импульсов сброса устанавливается в состояние Ug(T) = О.

Выходное напряжение первого интегратора 8 Us изменяется по закону Us = KsUyt, при t = Т достигает значения Us(T) = KsUyT, Во втором такте (Т «< 2Т) выходные напряжения первого и второго интеграторов 8 и 9 определяются выражениями соответственно

08 = К80уТ вЂ” К8, Ledt;

Т

Ug=Kg 3 Uydt. (1)

Т

Напряжение на выходе первого интегратора 8 линейно изменяется от Us(0) =

=К80уТ > 0 по законУ

U8(t) = К80уТ K8Uo(t — Т).

B результате напряжение на выходе первого компаратора 10 в момент времени

t2 скачком изменится ото до О. Напряже.ние на выходе второго интегратора 9 при постоянном входном сигнале линейно возрастает и положительно. На выходе компаратора 11 на протяжении всего такта выходное напряжение остается неиэменНЫМ И раВНЫМ U11 = Се.

В конце второго такта при t = 2Т первый интегратор 8 выходным импульсом Us первого формирователя б импульсов сброса установится в исходное состояние Us(2T) = О.

Выходное напряжение второго интегратора 9 Ug определения выражением

Ug = KgUy(t — Т) и при t = 2 достигает значения Ug(2 ) = KgUy .

Далее процесс периодически повторяется, Выходные импульсы первого и второго компараторов 10 и 11 поступают на первые входы соответственно первого 14 и второго

15 логических элементов 2И-2ИЛИ. На вторых входах этих элементов действуют сигналы. 03 и бз с прямого и инверсного выходов Т-триггера 3. На третьих входах первого 14 и второго 15 логических элеменгое 2И вЂ” 2ИЛИ действуют сигналы с выходов соответственно первого 12 и второго 13 Dтриггеров, которые при положительном управЛяЮщЕМ НаПряжЕНИИ раВНЫ U 12 = 1 е, U13 = 4 е.

Четвертые входы первого 14 и второго

15 логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ подключены сооТВВТсТВВННо к инверсному и прямому выходам Т-триггера 3, Следовательно, в первом такте входные сигналы первого 14 и второго 15 логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ равны

Usx15.1 = 010 = l/e

Usx 15.2 = 1 3 = О

Usx 15,3 = U 12 = К;

Usx 15.4 = 03 = 4 e, lеe, ПРИ О

Usx 14.2 = U3 = 1-- е, 5 Usx 14.3 = U13 =Ue

Usx 14.4 = U3 = О.

В результате на выходах первого 14 и второго 15 логических элементов 2И-2ИЛИ в первом такте действуют сигналы

1 О U 14 = < е

jl å пРИ O <.t < t1 0, при t«t <Т;

15 Изменение состояния первого компаратора 10 в первом такте из-за помех (фиг. 3) не вызывает ложных переключений первого логического элемента 2И-2ИЛИ, так как s этом интервале времени на его втором вхо20 де действует сигнал U3 = О. В результате этого обеспечивается повышенная помехоустойчивость модулятора, Аналогично во втором такте

25 )Le, пРи Т (t < t2, 0, при t2

015 =Уе.

Выходные импульсы первого 14 и второ30 го 15 логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ поступают на входы первого и второго логических элементов НЕ 19 и 20, на входах которых формируются импульсные последовательности U1g = U14 и U20 = U15, Управляющие

35 импульсы U14; U15, U19, U20 поступают на информационные входы силовых транзисторных ключей 21 — 24 соответственно. В интервале времени О:- т < 11 ключи 19 и 20 закрыты, а ключи 21 и 24 открыты. Ток про40 текает по цепи: "плюс" источника питания— ключ 21 — нагрузка 25 — ключ 24 — "минус" источника питания. В интервале времени

t1 t < Т ключи 22 и 24 закрыты, а ключи 21 и 23 открыты. При этом нагрузка закорочена

45 открытыми ключами 21 и 23. В интервале времени Т < t (t2 ключи 22 и 23 закрыты, а ключи 21 и 24 открыты. Ток протекает по цепи: "плюс" источника питания — ключ 21— нагрузка 25 — ключ 24 — "минус" источника

50 питания. В интервале t2 < t < 2Т ключи 21 и

23 закрыты, а ключи 22 и 24 открыты и шунтируют нагрузку..

Таким образом, широтно-импульсный модулятор обеспечивает поочередное уп55 равление мостовым усилителем мощности, наиболее эффективное с энергетической точки зрения.

При отрицательном управляющем напряжении Uy < О процессы аналогичны рас1718375

10. смотренным. Отличие состоит в том, что подключение нагрузки к источнику питания осуществляется с помощью ключей 22 и 23, при этом ток протекает по цепи; "плюс" источника питания Еп — ключ 23 — нагрузка 25- 5 ключ 22 —. "минус" источника питания. При этом изменяется полярность напряжения на нагрузке 25 (фиг. 4).

Для определения статической характеристики широтно-импульсного модулятора 10 для управления усилителем мощности подставим в уравнение (1) значения t = tz u решим его относительно т. = tz — Т.

В результате получим t = Т вЂ” .

Оу

"о

Относительная длительность импульсов при этом равна (2) т,е, прямо пропорциональна управляющему 20 нап ряжени ю.

Таким образом, широтно-импульсный модулятор для управления усилителем мощности отличается. от известных устройств аналогичного назначения повышенной по- 25 мехоустойчивостью за счет интегрального алгоритма формирования импульсов управления.

Другими важными достоинствами предлагаемого технического решения являются: линейная статическая характеристика, простота конструкции, реализация поочередно-го алгоритма управления мостовым усилителем.

Таким образом, введение в широтноимпульсный модулятор для управления усилителем мощности двухвходового логического элемента ИЛИ, двух логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ, ключа с управляемым коэффициентом передачи, источника опорного напряжения и двух D-триггеров обеспечивает повышение помехоустойчивости при малых значениях управляющего напряжения.

Использование широтно-импульсного 45 модулятора для управления усилителем мощности в различных устройствах промышленной электроники и электротехники позволит улучшить технические характеристики усилительно-преобразовательных устройств, Формула изобретения

Широтно-импульсный модулятор для управления усилителем мощности, содержащий источник управляющего напряже- 55 ния, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и Т-триггер, прямой и инверсный выходы которого подключены к входам соответственно первого и второго формирователей импульсов сброса, первый и второй коммутаторы, первые информационные входы которых объединены и подключены к выходу источника управляющего напряжения, управляющие входы подключены соответственно к прямому и инверсному выходам Т-триггера, а выходы соединены с информационными входами соответственно первого и второго интеграторов со сбросом, установочные входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго формирователей импульсов сброса, а выходы соединены с первыми входами соответственна первого и второго компараторов, вторые входы которых под- ключены к шине нулевого потенциала, первый и второй логические элементы НЕ, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости при малых значениях управляющего напряжения, в него дополнительно введены двухвходовый логический элемент ИЛИ, два логических элемента 2И—

2ИЛИ, ключ с управляемым коэффициентом передачи, источник опорного напряжения, первый и второй О-триггеры, 0-входы которых объединены с первыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ и соединены с выходами первого и второго компараторов, С-входы объединены с вторыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ и четвертыми входами соответственно второго и первого логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ и соединены соответственно с прямым и инверсным выходами Т-триггера, выходы первого и второго Отриггеров подключены к третьим входам соответственно первого и второго логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ и входам логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом ключа с управляемым коэффициентом передачи, информационный вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с обьединенными вторыми входами первого и второго коммутаторов, выходы первого и второго логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ соединены с входами соответственно первого и второго логических элементов НЕ, выходы которых совместно с выходами логических элементов 2И вЂ” 2ИЛИ являются выходами устройства.

1718375

3tq

1718375 у,з /2о 2$

Редактор B.Äàíêo

Заказ 890 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 и, 03

У 6

Ll

Составитель МЛеонова

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор М.Максимишинец