Способ управления в пьезополупроводниковых преобразователях и устройство для его осуществления

ОП ИСАНИЕИЗЬБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциаиистическкхРеспубики 739500ва аеааи изебретеннв и аткрытвй(5 З) УДК 621,316, 722 1 (088 е 8) Дата опубликования описания 10,06,80(7) Заявитель енинградский ордена Ленина попитехнически им. М, И. КалининаОБ УПРАВЛЕНИЯ В ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫХПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2вестного способа являчность стабилизации. ия - устранение указанИзобретение Ьтносится к пьезопреобразоватепьной технике (пьеэоэпектронике), в частности к способам и устройствам унравления напряжением в пьезопопупроводниковых преобразователях на базе пьезоэпектрич вских трансформаторов (ПЭТ), и может быть испопьзовано, например дпя стабипизированных источников питания устройств радиоэлектронной аппаратурььИзвестны способы управления в пьезо 1 полупроводниковых преобразователях и устройства дпя их осушествпенияЯ и 2.Наиболее близким из известных технических решений является способ управпения в пьезопопупроводниковых преобразовате 1 пях 1 заключающийся в измерении выходного напряжения пьезотрансформатора, сравнении реэупьтата измерения с опорным сигналом, формировании анапогового сигнала управления в зависимости от укаэанного сравнения и воздействия на амплитуду напряжения возбуждения пьезотрансфор,матора полученным сигнвпом управления 121 Недостатком изется невысокая тоЦепь изобретен.ного недостатка.Укаэанная цель достигается тем, что в способе управпения в пьезопопупровод-пиковых преобразователях, закпючающемся в измерении выходного напряжения пьеэотрансформатора, сравнении результата измерения с опорным сигналом, формировании аналогового сигнала управпения в зависимости от указанного сравнения и воздействия нв амплитуду напряжения возбуждения пьеэогрансформатора подученным сигналом упрввпения, предварительно воздействуют на частоту напряжэния возбуждения пьезотрансформатора поисковым сигналом, запоминают максимальное значение выходного напряжения путем сравнения выходного напряжения с опорным, формируют дискретный сигнап управления частотой, следования которого синхронизируют частоту поискового сигнала и которым воздействуют на чвсвием аналогового сигнала управления на амплитуду напряжения возбуждения. Причем в качестве опорного сигнала при формировании аналогового сигнала управле 3тоту напряжения возбуждения пьезотрацсформатора наряду с указанным воздейстция используют результат запоминания-"- -максймальцого значения выходного цапряжеция, Устройство для осуществления споссьба, содержащее пьезотрансформатор, одни обкладки которого служат для подключения выходной цепи, а другие соединены - с выходом усилителя мощности, один вход которого соединен с выходом регулятора амплитуды, вход которого сбединен с выходом узла сравнения, и датчик обратной связи, соединенный с выходной цепью, и снабжено последовательно соединенными компаратором, ключом, управляющим триггером и интегратором, командным генератором, соединенным выходом через дифференцирующую цепочку с ключом и управляющим триггером, а входом через другую дифференцирующую цепочку с выходом компаратора, а также двумя схемами запоминания, одна из которых включена между выходом введенного первого повторителя и входом узла сравнения, а другая - между выходом второго введенного повторителя и входом компаратора, причем входы повторителей соединены с выходом датчика обратной связи, а выход интегратора соединен со входом введенного ре-" гулятора частоты, выходом соединенного с другим входом усилителя мощности.На фиг. 1 приведена схема стабили-. зированного пьезополупроводцикового преобразователя; ца фиг. 2 - временные диаграммы работы преобразователя. Пьезополупроводциковый преобразователь содержит регулятор 1 частоты (управляемый задающий генератор) и регулятор 2 амплитуды, сигналы с выхода которых поступают на усилитель 3 мощности. Усилитель мощности нагружен на ПЭТ 4, который через выпрямитель (схему умножения) 5 с фильтром связан с нагрузкой 6. Напряжение с нагРузки Овых, и ступает. на дат -обратной связи 7 и через транзисторные повторители 8 и 9 напряжения на схемы 10 и 11 запоминания.Схемы запоминания идентичны и выполнены на полевых транзисторах 12 и 13, в цепь затвора которых включены диодно-емкостные запоминающие 0500 . 4цепочки ца диодах 14 и 15 и коцденсаторах 16 и 17 и ключи разряда натранзисторах 18 и 19. Схемы запЬминания фиксируют максимальное (экстремальное) значение 0, и запоминают его.Выход схемы 10 запоминания и вы.ход повторителя 8 напряжения соединенысо входом компаратора 20, выход кото О рого соединен через дифференцируюшуюцепочку на конденсаторе 21 и резисторе 22 и ключ 23 со аходом управляющего триггера 24. Выход схемы 11 запс- минания и выход повторителя 9 напряже-ния соединены с узлом 25 сравнения,выход которого соединен с регулятором2 амплитуды. Выход управляющего триггера 24 через интегратор 26 соединенс регулятором 1 частоты, а также через 2 О дифференцирующую цепочку из конденсатора 27 и резистора 28, и диоды 29и 30 с ключами разряда (на транзисторах 18 и 19) схем запоминания. Длязапуска схемы служит командный гене ратор 31 (на основе мультивибратора),осуществляющий также временную синхронизацию работы элементов схемы(импульсы Ц, см. фиг. 2). Командныйгенератор 31 соединен через дифферен цируюшую цепочку из резистора 32 иконденсатора 33 с ключом 23 и управляющим триггером 24.Работа пьезополупроводникового преобразователя с предлагаемым способом З 5 адаптивного управления осуществляетсяследующим образом.При действии сильных возмущений (нагрузочных, температурных, механических)у ПЭТ 4 имеет место дрейф его ампли О тудно-частотных характеристик (АЧХ),болееслабые возмущения вызываютдрейф рабочей точки по склонам АЧХПЭТ. Дрейф АЧХ ПЭТ сопровождаетсяизменением положения ее экстремума(максимума Обр,), Например, при увеличении тока нагрузки от номинального(согласованного) режима экстремумаАЧХ перемещается влево (по оси абсцисс)и вниз (по оси ординат). Пьезополупро 5 О водниковый преобразователь с предлагаемым способом адаптивного управленияосуществляет автоматически поиск экстремума АЧХ, непрерывное слежение заним и стабилизацию заданного значениявыходного напряжения. Запуск преобразователя производится импульсом, командного генератора 31. Первый импульс генератора 31 (О ) является поисковым00 6ного напряжения преобразователя осуществляется взаимосвязанным с частотным каналом действием амплитудногоканала. Для этого на выходе узла 25сравнения амплитудного канала формируется сигнал ошибки, определяемыйразностью между текущим и экстремаль-ным значением Ових, который поступает на регулятор 2 амплитуды. Регулятор 2 амплитуды компенсирует изменения Овыот заданного значения с высокой статической и динамической точностью, отрабатывая сигнал ошибки поопределенному алгоритму (например,пропорционально-интегро-дифференциальному. ПИД-алгоритму). Для уменьшенияошибки слежения за значением живых.гоэкпри действии возмущений с управляющего триггера 24 с помощью дифференцируюшей цепочки 27 и 28 формируютсякороткие импульсы сброса (ис) схем10 и 11 запоминания (сброс на "0")дпя стирания предыдушей информации.Под действием этих импульсов происходит разряд запоминающих конденсаторов16 и 17 через ключи 18 и 19 разряда.Таким образом, преобразователь осуществляет адаптивное управление, автоматически определяя величины регулирующихвоздействий г ви А х ( 1 в- входная частота,А, - входная амплитуда),соответствующих резонансной часготеПЭТ и заданному (стабилизируемому) значению выходного напряжения, при изменении внешних воздействий (возмущений). В рассмотренной схеме скоростьизменения О , т.е, сО(1 аЦ.=К,рсооЯ, а ее знак меняется после прохода экстремума Овьд в соответствии с принятым законом переключения (П-законом). По условиям подавления выбросов помех и увеличения точности работы лучшим является пропорционально-интегральный ПИ-закон, который может бьггь сформирован, например, посредством включения формирующего устройства (линейного фильтра с конечным временем памяти) на входе управляющего триггера 24. Улучшение точности и помехо-устойчивости может быть также достигнуто введением определенного алгоритма управления в регуляторе 1 частоты.Варианты схемы пьезополупроводникового преобразователя с предлагаемым способом адаптивного управления могут быть различными. Например, частота автоколебаний м,х может выступать в качестве управляющей информации для 5 7395 (см. фиг, 2), длительность его Т 1 такова, чтобы обеспечить прохокдение рабочего диапазона изменения резонансной частоты гПЭТ при действии сильных возмущений (обычно не более 5-7% от 1 ро где 1 р- резонансная частота ПЭТ в режиме холостого хода). От первого импульса генератора 31 ключ 23 размыкается (блокирует прохождение импульсов с компаратора 20 на вход 10 управляющего триггера 24), управляющий триггер 24 (импульсы О.,фиг. 2) запускает интегратор 26. Интегратор формирует линейно-изменяющееся управляющее напряжение О с периодом Тг 15 (фиг. 2), Под действием О, изменяется частота на выходе регулятора частоты 1 и, следовательно, изменяется частотана входе ПЭТ. При этом напряжение на выходе преобразователя изменяет- що ся в соответствии с АЧХ ПЭТ. Схемы . запоминания 10 и 11 фиксируют за период Тп значения Овп 1 щ (конденсаторы 16 и 17, благодаря диодам 14 и 15, фиксируют только полокительные 1 прира Б щения Ових). По истечении первого импульса командного генератора 31 (времени Тп ) осуществляется замыкание ключа 23 и переключение триггера 24 (перевод в 0"). Напряжение Оу изменяется зо в сторону уменьшения (реверсируется) от значения Оцдо О , , соответствующего резонансной частоте по АЧХ ПЭТ и, следовательно, О выл о,(фиг. 2), При определенной величине разности между значением О э и текущим О .Ь=У:0 -О 1 д - зона нечувствительности компаратора 20) срабатывает компаратор 20 и переключает управляющий триггер 24. При этом Оначинает снова увеличиваться и при переходе значения О. опять срабатывает компаратор 20 ит.д. Схема захватывает экстремальное значение Овь и осуществляет н 6 прерывноевыхлопахсмещение задним в автоколебательном режиме с периодом Та =2 Т, (период колебаний ОвыПЭТ). Командный генератор 31 после захвата схемой Овп,переходит в режим вынужденных колебаний. При действии частотного канала ю схемы обеспечивается настройка на резонансную частотур ПЭТ напряжения на выходе Овь спри этом может изменяться зависимо от величины возмущающего воздействия и флуктуирует 55 в некоторых пределах в связи с автоко-. лебательным режимом работы частотного канала. Поэтому стабилизация вьгход9500 8 25 30 35 7 73 амплбтудного канала (вблизи экстремума Ох частота Оок максимальная) . Для этого, преобразуя Оэа, в напряжение (преобраэователем "частота-напряжение") и фиксируя посредством схемы запоминания (аналогичной 11) его максимальное значение, может сигнал ошибки на входе регулятора 2 сформировать по разности значений напряжений, соответствующих текущему значению ю,и иаэс,актни,Оля увеличения помехоустойчивости преобразователя схемы запоминания могут фиксировать значение Оэтогда случайные выбросы не приведут к возможным нарушениям режима слежения за Ов , При отработке возмущений, следующих с достаточно высокой частотой, отличия статических АЧХ от динамических АЧХ ПЭТ также могут привести к некоторому искажению нормального режима работы преобразователя. В этом случае может оказаться целесообразным переход вблизи экстремума на скорость поиска, когда динамическая АЧХ мало отличается от статической АЧХ (достигается схемными путями и выбором режима работы интегратора, при этом может быть осуществлена реализация способа с оптимизацией по быстродействию).Испапьзование предлагаемого способа адаптивного управления в пьезополупроводниковых преобразователях обеспечивает самонастраивающийся (адаптивный) режим автоматической стабилизации выходного напряжения при действии сильных возмущений, высокую точность стабилизации выходного напряжении на его экстремальном значении при автоматическом слежении за частотой резонанса ПЭТ, высокую устойчивость слежения эа экстремумом выходного напряжения и помехозащищенность (интегратор сглаживает помехи), а также возможность органиэации работы преобразователя с процессами, оптимальными по быстродействию при введении переменного (оптимального) закона изменения скорости поиска экстремума (реапизуется минимальное время поиска экстремума с заданной наперед точностью). та измерения с опорным сигналом, формировании аналогового сигнала управления в зависимости от указанного сравнения и воздействия на амплитуду напряжения возбуждения пьеэотрансформатора .,полученным сигналом управления, о т л нч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности управления путем обеспечения адаптивного управления, предвари тельно воздействуют на частоту напряжения возбуждения пьеэотрансформаторапоисковым сигналом, запоминают максимальное значение выходного напряженияпутем сравнения выходного напряжения 15 с опорныму формируют дискретный сигналуправления, частотой следования которого синхронизируют частоту поисковогосигнала и которым воздействуют на частоту напряжения возбуждения пьезотранс 20 форматора наряду с указанным воздействием аналового сигнала управления наамплитуду напряжения возбуждения,2 Способ по п. 1, о т л и ч,а ющ и й с я тем, что, в качестве опорного сигнала при формировании аналогового сигнала управления используют резулЪ- тат запоминания максимального значения выходного напряжения. 3. Устройство для осуи;ествления способа по п. 1, содержащее пьеэотрансформатор, одни обкладки которого служат для подключения выходной цепи, а другие соединены с выходом усилителя мощности, один вход которого соединен с выходом регулятора амплитуды, вход которого соединен с выходом узла сравнения, и датчик обратной связи, соединенный с выходной цепью, о т л и н а ю 1 щ и й с я тем, что устройство снабжено последовательно соединенными компаратором, ключом, управляющим триггером и интегратором, командным генератором, соединенным выходом через дифференцируюшую цепочку с ключом и управляющим триггером, а входом через другую дифференцируюшую цепочку с выходом компаратора, а также двумя схемами запоминания,.одна нз которых включена между выходом введенного первого: 1. Способ управления в пьезополупроводниковых преобразователях, заключающийся в измерении выходного напряжения пьезотрансформатора, сравнении реэульта повторителя и входом узла сравнения, а,другая - между выходом второго введенного повторителя и входом компаратора,55 причем входы повторителей соединены с выходом датчика обратной связи, а вы.ход интегратора соединен со входом введенного регулятора частоты, выходомсоединенного с другим входом усилителямошности. кГ ЦНИИПИ Заказ 3047/7Тираж 956 Подписное Филиал ППП "Патент", Ужгород, ул, Проектная, 4 Фий. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе739500 101. Лавриненко В, В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М., Энергия",1975, с, 80-93,2. Авторское свидетельство СССРМ 448443, кл. С 05 Р 1/46, 1972,