Автоматический регулятор частоты

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК И 9) (11) Н 02 Р 9/04 МИТЕТ СССЙ И ОТКРЫТ ГОСУД АРСТВЕННЫИ ПО ДЕЛАМ ИЗОВРЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 652050, кл. Н 02 Р 9/04, 1978,2. Авторское свидетельство СССР М 928594, кл. Н 02 Р 9/04, 1980.3. Авторское свидетельство СССР 9 904184, кл. Н 02 Р 9/04, 1980.( 54 ) ( 5 7 ) АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ, содержащий входной Формирователь прямоугльных импульсов,генератоимпульсов эталонной частоты, одновиборатор, первый счетчик импульсов, вхоачальной установки которого подключен к выходу входного Формирователяпрямоугольных импульсов через однорибратор, а счетный вход - к выходупервого логического элемента И, второй счетчик импульсов, счетный входкоторого подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты, ивторой логический элемент И, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности регулирования частоты, он снабжен делителемчастоты, логическим элементом И-НЕ,которцй подключен своими входами квыходам первого счетчика импульсов,а выходом - к одному входу первогологического элемента И, другой входкоторого подключен к выходу генератора импульсов эталонной частоты через делитель частоты, двумя инверторами, первый из которых подключен к .выходу входного Формирователя прямоугольных импульсов, а второй - к выходу первого логического элемента И-НЕ, реверсивным счетчиком импульсов, вторым логическим элементом И-НЕ, логическим элементом ИЛИ, входы которых попарно объединены и подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, логическую схему сравнения на равно, одни входы сравнения которой подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, а другие - к выходам второго счетчика импульсов, третьим логическим элементом И, выход которого подключен к входу обратного счета ревер сивного счетчика импульсов, вход пря мого счета которого подключен к выходу второго логического элемента И, вторым одновибратором и выходным Вя-триггером, В-вход которого подключен к выходу логической схемы сравнения на равно, а 8-вход - к выходу последнего разряда второго счет-Я чика через второй одновибратор, при этом первый вход второго логического элемента И подключен к выходу первого логического элемента И-НЕ, второй вход - к выходу первого инвертора, третий - к выходу второго инвертора, а четвертый соединен с четвертым вхо ;дом третьего логического элемента И, третий вход которого соединен с входом второго инвертора, второй вход - с входом первого инвертора, а первый вход - с выходом логического элемента ИЛИ, причем объединенные четвертые входы первого и второго логических элементов И подключены или к выходу генератора импульсов эталонной часто ты через дополнительно введенный делитель частоты, или к одному из выходов разрядов, второго счетчика им пульсов.Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическому регулированию частоты генерируемого электроагрегатом переменного напряжения, и может быть использованодля автоматического регулированиячастоты автономных источников электропитания,Известны цифровые автоматическиерегуляторы частоты, обладающие достаточно высокой точностью регулирования 10частоты за счет использования астатического принципа регулирования частоты 11 .Однако эти устройства для получения астатического принципа регулирования частоты используют интегрирующий электромеханический исполнительный элемент, а именно электродвигатель. Использование же электродвигателя накладывает значительные ограничения на быстродействие регулированиячастоты. Кроме того, такая системарегулирования частоты является сложной, так как обычно требует для воздействия на систему топливоподачикроме самого электродвигателя ещецелого ряда механических элементов(редуктор, систему тяг и т.п.), чтосущественно снижает надежность системы и ограничивает сферу применениятаких устройств из-за сложности и гро З 0моздкости.Известен регулятор частоты, позволяющий использовать в качестве исполнительных элементов более простые и более быстродействующие электромеханические устройства, напримертяговые электромагниты Ц .Однако точность поддержания заданного значения частоты у этих регуляторов зависит от множества внешних 40факторов, например величины нагрузки, температуры обмоток и окружающейсреды и т.д.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является регулятор частоты, содержащий входнойформирователь прямоугольных импульсов, генератор эталонной частоты,двалогических элемента И, два счетчикаимпульсов, одновибратор, параллельный синхронный регистр и блок управления коэффициентом пересчета, приэтрм вход начальной установки первого счетчика импульсов подключен квыходу входного формирователя прямоугольных импульсов через одновибратор, а счетный вход - к выходу первого логического элемента И, счетныйвход второго счетчика импульсов под-ключен к выходу генератора импульсовэталонной частоты 3,60Известное устройство определяетотклонение заданной величины периодагенерируемого напряжения от фактической и в зависимости от величины этого отКлонения формирует импульсы вы сокой частоты следования со скважностью, пропорциональной величине отклонения. При этом определенной величине отклонения соответствует строго определенная скважность, По принципу такое регулирование частоты является статическим, т.е, величина(скважность) управляющего сигналастрого пропорциональна отклонению.В то же время изменение усилия наэлектромагните из-за температурногоухода параметров элементов электромагнита (сопротивление катушки, жесткость пружины и т.п. ),колебаний напряжения питания электромагнита,смещение положения электромагнита отоптимальной настройки и изменение параметров системы топливоподачи двигателя приводят к ошибке регулированиячастоты, Точность поддержания заданной частоты зависит еще в этом случаеи от величины нагрузки, так как прикаждой определенной величине нагрузки для получения заданной величинычастоты якорь электромагнита должензанимать соответствующее именно этойнагрузке положение, в то время какположение электромагнита (управляющийсигнал на нем) пропорционально величине отклонения частоты,Цель изобретения - повышение точности регулирования частоты путем исключения влияния на точность поддержания заданного значения частотывнешних факторов (нагрузки, температурного ухода параметров исполнительного элемента, изменения параметровсистемы топливоподачи, температурного влияния и т.п,).Поставленная цель достигаетсятем, что автоматический регулятор частоты, содержащий входной формирователь прямоугольных импульсов, генератор импульсов эталонной частоты,одновибратор, первый счетчик импульсов, вход начальной установки которого подключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсовчерез одновибратор, а счетный вход -к выходу первого логического элемен-та И, второй счетчик импульсов, счетный вход которого подключен к выходугенератора импульсов эталонной частоты, и второй логический элемент И,снабжен делителем частоты, логическим элементом И-НЕ, который подключен.своими входами к выходам первого счетчика импульсов, а выходом - к одному входу первого логического элементаИ, другой вход которого подключен квыходу генератора импульсов эталонной частоты через делитель частоты,двумя инверторами, первый из которыхподключен к выходу входного формирователя прямоугольных импульсов, а второй - к выходу первого логическогоэлемента И-НЕ, реверсивным счетчикомимпульсов, вторым логическим злеменО 25 30 тора импульсов эталонной частоты через дополнительно введенный делитель частоты, или к одному из выходов разрядов второго счетчика импульсов.Регулятор частоты формирует изменяющийся выходной сигнал (управляющий исполнительным электромагнитом),40 45 схема устройства, на фиг.2 и 3 - вреУстройство содержит входной Формирователь 1 прямоугольных импульсов,преобразовывающий синусоидальноевходное напряжение, генерируемое объкоторых имеет вход начальной установ 60 65 том И-НЕ, логическим элементом ИЛИ,входы которых попарно объединены иподключены к выходам реверсивногосчетчика импульсов, логическую схему сравнения на равно, одни входы сравнения которой подключены к выходамреверсивного счетчика импульсов, адругие - к выходам второго счетчикаимпульсов, третим логическим элементом И, выход которого подключен квходу обратного счета реверсивного счетчика импульсов, вход прямого счета которого подключен к выходу второ,го логического элемента И, вторымодновибратором и выходным Б 8-триггером, Б-вход которого подключен квыходу логической схемы сравнения наравно, а 8- вход - к выходу последнего разряда второго счетчика черезвторой одновибратор, при этом первыйвход второго логического элемента И подключен к выходу первого логического элемента И-НЕ, второй вход - квыходу первого инвертора, третий - к выходу второго инвертора, а четвертый соединен с четвертым входом третьего логического элемента И, третийвход которого соединен с входом второго инвертора, второй вход - с входом первого инвертора, а первый входс выходом логического элемента ИЛИ,причем объединенные четвертые входыпервого и второго логических элементов И подключены или к выходу генеракоторый изменяется в соответствующую сторону до тех пор, пока исполнительный элемент не изменит положение своей рабочей части так, чтобы отклонение частоты стало равно нулю,На Фиг.1 приведена структурная менные диаграммы, поясняющие принципработы устройства. ектом управления, в прямоугольныеимпульсы длительностью в период (или полупериод), генератор 2 импульсовэталонной частоты, два счетчика 3 и4 импульсов прямого счета, первый из ки НУ, реверсивный счетчик 5 импульсов с входом прямого счета +Т и обратного -Т, выходной БВ-триггер б,два одновибратора 7 и 8, делитель 9частоты, два инвертора 10 и 11, трилогических элемента И 12-14, два логических элемента И-НЕ 15 и 1 б, логический элемент ИЛИ 17, логическую 15 20 схему 18 сравнения на равно. Выход БВ-триггера б через усилитель подключен к исполнительному элементу (электромагниту), регулирующему подачу топлива. При этом четвертые входы элементов И 14 и 13 объединены между собой и подключены к одному из выходов разрядов Я счетчика 4, в другом варианте исполнения этой части регулятора объединенные между собой четвертые входы элементов И 14 и 13 подключены к выходу генератора 2.Регулятор частоты работает следующим образом.Электроагрегат вырабатывает напряжение П с частотой Г (период Т =1/Г), которое преобразовывается формирователем 1 по переходу синусоиды через нулевое значение в прямоугольные импульсы длительностью Т/2. При выполнении формирователя в виде триггера- формирователя прямоугольных импульсов длительностью Т и периодом 2 Т (Фиг.2) в .последнем случае сначала формируются импульсы с длительностью Т/2 и периодом Т и затем делятся на два триггером, в результате чего триггер-формирователь отформировывает импульсы длительностью Т и периодом 2 Т.По фронту (переднему) импульсов с выхода формирователя 1 одновибратор 7 Формирует короткий импульс, устанавливающий счетчик 3 в исходное состояние по его входу НУ. По количеству импульсов с с генератора 2 эталонной частоты поступающих на счетный вход Т через делитель 9 и логический элемент И 12, счетчик 3 отсчитывает от начального состояния (нулевого) число импульсов, соответствующее периоду Т заданной частоты Гр. По достижении счетчиком 3 заданного числа импульсов сигнал на выходе элемента И 12 переходит из состояния логической единицы в логический ноль, отформировывая таким образом импульс ТДля этого к входам элемента 15 подключаются только те выходы счетчика 3, которые принимают состояние логической единицы при достижении заданного числа соответствующего Т посде чего поступление счетных импульсов с на счетчике 3 запрещается логическим элементом И 12. Элементы И 13 и 14 выделяют с помощью инверторов 10 и 11 интервал отклонения Т от Т 9 с учетом знака отклонения, т.е. элемент И 14 выделяет интервал ь 1 --Т - Т при ТТ , а элемент И 13 интервал= Т - Т при Тр,ъТ.В течение интервалов 7 на +Т вход реверсивного счетчика 5 поступают счетные импульсы С 2, где С - период следования импульсов, полученных делением допопнительным счетчиком 19 или счетчиком 4 импульсов с периодомследонания 1 формируемых "генерато. ром 2, а в течение интервала- на -Т вход счетчика 5.Таким образом, при наличии откло-нения ЬТ = Т - Т на соответствующийэтзнаку отклонения ЬТ вход +Т или -Т 5 счетчика 5 поступают счетные импульсы. В результате при одном знаке ЬТ состояния счетчика 5 увеличиваются со скоростью, пропорциональной величине ЬТ и коэффициенту деления дели теля 19 (или используемого выхода счетчика 4) и частоты генератора 2. При противоположном знаке отклонения ющие ВБ-триггер б в единичное состояние. Счетчик 4 отсчитынает счетные импульсы, и в момент, когда состояния выходов счетчика 4 полностью совпадают с состоянием выходов реверсивно-,го счетчика 5, схема 18 сравненияФормирует импульс, устанавливающийН 8-триггер б в нулевое состояние.Та 60 ким образом, на прямом выходе триггера бформируется импульс, длительност.которого пропорциональна состоянию счетчика 5, причем чем большему числу соответствует состояние счетчика 65 ЬТ состояния счетчика 5 аналогичным образом уменьшаются, Увеличение или 15 уменьшение состояния счетчика происходит до тех пор, пока не наступит ситуация, когда ЬТ = О, либо пока счетчик 5 не достигнет одного из своих предельных состояний, максимального или минимального (например, все выходы счетчика 5 в единичном состоянии и все входы в нулевом состоянии).При достижении максимального состояния (все входы в единичном состоянии) счетчика 5 элемент И-НЕ 16 выдает уровень логического нуля, запрещая таким образом прохождение счетных импульсов, увеличивающих состояние счетчика 5 через элемент И 14.При достижении минимального состо.яния (все выходы или их частьв нулевых состояниях) счетчика 5 элемент , ИЛИ 17 выдает уровень логического нуля, запрещая таким образом прохождение уменьшающих состояние счетчика 5 счетных импульсов через элементы И 13.Элементы 4,6,8 и 18 выполняют Функцию получения на выходе импульсов 40 достаточно высокой частоты следования (.например, 300-500 Гц) с постоянным периодом следования и длительностьюимпульса, пропорциональной состоянию выходов накапливающего счетчика 4. 45Для этого импульсы с генератора 2 делятся до получения заданной частоты следования (фиг.3), например 300- 500 Гц. По переднему Фронту полученных импульсов однонибратор 8 Формирует короткие импульсы, устанавлива 5, тем больше длительность полученного импульса, и при максимальном состоянии счетчика 5 этот импульс превращается в постоянный уровень логической единицы, а при минимальном в постоянный уровень логического нуля. При использовании инверсного выхода зависимость обратно пропорциональная.Сигнал с выхода триггера б поступает через усилитель на исполнительный электромагнит.Таким образом, при наличии отклонения ДТ одного знака (положительного) счетчик 5 увеличивает свое состояние, соответственно длительность импульса на выходе триггера б увеличивается (а при использовании иннерсного выхода триггера б длительность импульса уменьшается, усилие уменьшается), в результате система топливоподачи увеличивает подачу топлива, частота повышается, величина периода Т уменьшается. Так происходит до тех пор, пока не будет полностью отработано в ноль отклонение ЬТ, т.е. станет Т=Тэи Г=Г , При наличии отклонения ЬТ другого знака (отрицательного) счетчик 5 аналогичным образом уменьшает свое состояние, уменьшая длительность импульса на прямом выходе триггера 19 (увеличивая длительность импульса на инверсном выходе) и изменяя тем самым усилие электромагнита таким образом, чтобы уменьшить частоту Г до тех пор, пока не станет Т = Т т.е.Г = Гзи Т = О.Таким образом, устройство обеспечивает отработку отклонения генерируемой частоты от заданного значения до тех пор, пока это отклонение не станет равно нулю. При этом используется только один информационный сигнал - частота. Соответственно,так как отработка. отклонения частоты осуществляется до нуля и в качестве входной информации используется только один параметр - частота, влияние ннешних факторов, таких как нагрузка, точность установки электромагнита, изменение параметров системы топливо- подачи, напряжения питания катушки электромагнита, температурного ухода, элементов системы регулирования, не может изменить точность отработки отклонения.Точность отработки отклонения регулятором частоты определяется только стабильностью частоты генератора 2, которую легко обеспечить при использовании генератора с кварцевой стабилизацией частоты, а также дискретностью измерения частоты и дискретностью изменения выходного сигнала, которые могут быть заданы любым выбором соответствующих емкостей счетчиков и частоты генератора 2. Усилие электромагнита изменяется дотех пор, .пока отклонение не будетотработано до нуля. Причем скоростьотработки отклонения пропорциональнавеличине отклонения и определяетсячастотой генератора эталонных импульсов 2, коэффициентом деления дополнительного делителя (или соответствующего выхода счетчика 4) и емкостьюреверсивного счетчика 5, может бытьзадана в очень широких пределах (практически от длительности одного периода до бесконечности). Поэтому регулятор позволяет обеспечить устойчивость регулирования и высокое качество переходных процессов без трудоемких операций по точной установке исполнительного элемента. Точность отработки отклонения определяется только точностью измерения отклонения, т.е, задается частотой генератора эталонных импульсов 2, коэффициентом деления делителя 9 и емкостью счетчика 3, и может быть задана сколь угодно высокой. Предлагаемое устройство позволяетреализацию на готовых функциональныхэлементах интегральных микросхем.каренк о Подпа СССР кры б д тент", г.у 4 ул.ПРое лиа в 981/50 ВНИИПИ Государс по делам иэоб 113035, Москва,Ж