Устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19) (И ц С 05 В 11/26 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Челябинский филиал Государственного союзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского тракторного института (53) 62-50(088.8)(56) 1. Авторское свидетельство СС У 513361, кл, С 05 Г 5/00, 1976.2, Патент США В 4138632, кл. О 05 В 11/28, опублик. 1977.3. Авторское свидетельство СССР Ф 561168, кл. С 05 В 11/28, 1977 (прототип).(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШИРОТНО- ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ, содержащее генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу модулятора длительности импульсов, к второму входу которого подсоединен задатчик,. а также электрогидравлический исполнительный элемент и пороговый блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения его надежности, в него введены ключ и датчик скорости перемещения, причем выход модулятора длительности импульсов через ключ соединен с входом электрогидрав. лического исполнительного органа, выход которого через последователь" но соединенные датчик скорости перемещения и пороговый блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсов.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что ключ содержит усилитель, первый вход которого подключен к входу ключа, второй вход подключен через конденсатор к выходу ключа, который через первичную обмотку трансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через вторич-ную обмотку трансформатора и диод соединена с положительной шиной источника напряжения и вторым входом усилителя.Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления электромагнитами быстродействующих электрогидравлических приводов.Известно устройство для автоматического регулирования тока питауия электромагнита 1Недостатками известного устройства являются боль 1 пие габариты и стоимость, вызванные сложностью функциональной н, соответственно, принципиальной схемы устройства, Кроме того, это устройство не обеспечивает контроля срабатывания ,электромагнита, что исключает возможность реализации эффективного форсирования электромагнита в быстродействующих электрогидравлическихприводах. 0520 Более совершенной является цифровая следящая система с широтно" импульсным модулятором, содержащая электрогидравлический механизм, 25 электромагниты которого связаны с выходами двух усилителей мощности, датчик положения, связанный с выходным штоком электрогидравлического исполнительного механизма, устройст- .З 0 во широтно-импульсной модуляции, которое через триггер связано с управляющими входами усилителей мощности, задающее устройство, а также цифровое управляющее устройство,1 35 входы которого соединены с выходами датчика положения и задающего устройства, а выходы подключены к входам устройства широтно-импульсной модуляции Я .1Недостатком этого устройства является низкая надежность, вызванная отсутствием форсировки при включении электромагнитов, а также сложностью конструкции устройства.Кроме того, в данном устройстве не зависимо от величины управляющего воздействия, в зависимости от состояния триггера, включенного между выходами устройства широтно-им пульсной модуляции и входами усилителей мощности, всегда включен один из электромагнитов электрогидравлического механизма, т. е. последний постоянно находится в возвратно-поступатель ном движении. Это приводит к значитель-ному сокращение ресурса работы устройства за счет механического иэноса электрогидравлического механизма,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство для широтно-импульсногоуправления электромагнитным исполнительным механизмом, содержащеемодулятор длительности импульсов,электрогидравлическнй исполнительный элемент, генератор прямоугольных импульсов, пороговый блок, причем генератор прямоугольных импульсов подключен к первому, а задатчикк второму входу модулятора длительности импульсов. В данном устройстве при включении электромагнита производится подача импульса форсировки с амплитудой, равной величине напряжения источника питания и длительностью, определяемой параметрами дифференцирующего звена. В режиме удержания путем широтно-импульсной модуляции управляющего .сигнала производится снижение напряжения на электромагните 3 .Недостатком этого устройства является низкая надежность, так как увеличение времени срабатывания электромагнита по каким-либо причинам (например, увеличение нагрузки на электромагнит) до величины, превышающей. время форсировки, приводит к иевключению электромагнита. В то же время выбор форсировки, существен. но большего времени срабатывания электромагнита, не допустим из соображений экономичности устройства и допустимого перегрева электромагнита.К недостаткам данного устройства следует также отнести сложность конструкции усилителя, а следовательно, повьвенную стоимость и пониженную надежность. Это вызвано тем, что в известном устройстве для реализации двухполярного выходного напряжения усилителя, необходимо применение полумостовой или мостовой схемы оконечного каскада усилителя, что требует использования не менее двух силовых транзисторов с соответствующими схемами управления, стоимость которых значительно . превышает стоимость пассивных элементов устройства.Цель изобретения - повышение на"дежности. Поставленная цель достигается тем,что в устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом,содержащее генератор прямоугольныхимпульсов, подключенный к первомувходу модулятора длительности имПУЛЬСОВ 1 К ВТОрому ВХОДУ КОТОрого 5подсоединен задатчик, а также электрогидравлический исполнительный элемент и пороговый блок, введены ключи датчик скорости перемещения, причемвыход модулятора длительности импуль. 10сов через ключ соединен с входомэлектрогидравлического исполнительного, органа, выход которого черезпоследовательно соединенные датчикскорости перемещения и пороговый 15блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсовПричем ключ содержит усилитель,первый вход которого подключен квходу ключа, второй вход подключен 20через .конденсаторк выходу ключа,который через первичную обмоткутрансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через .вторичную обмотку трансформатора и диод соединенас положительной шиной источника напряжения и вторым входом усилителя.На фиг. - изображена блок-схемапредлагаемого устройства; на фиг.2 - З 0принципиальная схема ключа; на фиг,3 временная диаграмма работы устройства,Устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом содер 35жит генератор 1 прямоугольных импульсов, задатчик 2, модулятор Эдлительности импульсов, усилитель 4,ключ 5,. источник 6 напряжения, электрогидравлический исполнительный механизм 7, датчик 8 скорости перемещения и пороговый блок 9, конденсатор 10, диод 11, трансформатор 12,первичную обмотку трансформатора 13,вторичную обмотку трансформатора 14, 4клеммы источника 15 питания, первыйи второй элементы И 16 и 17, элементИЛИ 18,1Модулятор длительности импульсовможет быть Выполнен по различным 50принципиальным схемам. На фиг. 1представлен вариант выполнения модулятора 3 длительности импульсов надвух элементах И 16 и 17 и элементеИЛИ 18. Первый вход элемента И 16 55является первым входом модулятора3 длительности импульсов, второй.вход первого элемента И 16 и первый вход второго элемента И 17 объединены и используются как второй входмодулятора 3 длительности импульсов,в качестве третьего входа которогоиспользуется второй вход второгоэлемента И 17. Выход первого и второго элементов И 16 и 17 подключенысоответственно к первому и второмувходам элемента ИЛИ 18, выход которого является выходом модулятора 3длительности импульсов,Устройство работает следующимобразом.Генератор 1 прямоугольных импульсов генерирует прямоугольные импуль"сы фиксированной частоты, поступающие на первый вход модулятора Э длительности импульсов (фиг, 3 О 1).Если напряжение на выходе задатчика 2 в момент времени 10 равно нулю (фиг. 3 0 2), элементы И 16 иИ 17 блокируют прохождение импульсов генератора 1 прямоугольного напряжения и выходного сигнала порогового блока 9 на входы элементаИЛИ 18. В этом случае напряжение навыходе модулятора 3 длительности импульсов (фиг. 3 0 3) равно нулю,оконечный каскад усилителя 4 находится в запертом состоянии, выходной сигнал ключа 5, т.е. напряжение,на электромагните (фиг. 3 0 6) равно нулю, электромагнит исполнительного органа находится в отключенномсостоянии, т.е. шток неподвижен ивыходной сигнал датчика 8 скоростиравен нулю. Нулевой уровень выходного сигнала порогового блока 9приводит к появлению высокого уровня потенциала на его выходе(фиг. 3 ц 9), однако нулевой уровеньнапряжения на первом входе второгоэлемента И 17 препятствует прохождению выходного сигнала пороговогоблока 9 на выход модулятора 3 длительности импульсов и электромагнитостается в выключенном состояний. После прихода управляющего сигнала (момент времени 11 ) с выхода задатчика 2 (фиг 3 О 2) на втором входе первого элемента И 16 и первом входе элемента И 17 устанавливается уровень высокого потенциала. На выходе первого элемента И 16 появляются импульсы генератора 2 прямоугольного напряжения, а на выходе второго элемента И 17 появляется высокий уровень выходного сигнала порогового блока 9. Элемент ИЛИ 18 производит суммирование этих сигна- лов и на выходе модулятора 3 длительности импульсов устанавливается уровень высокого потенцнала, Появ ление постоянного напряжения на выходе модулятора 3 длительности импульсов приводит к насыщению оконеч ного транзистора усилителя 4 мощности и появлению на его выходе на пряжения, равного величине напряжения источника 6 питания. Через первичную обмотку 13 трансформатора 12 это напряжение поступает на конденсатор 10 и на электрогидравлическое исполнительное устройство 7, Трансформатор 12 работает в этом режиме в качестве линейного дросселя, Причем индуктивность первичной обмотки трансформатора 12 и емкость кон денсатора 10 выбраны таким образом, чтобы постоянная времени заряда кон. денсатора 10 была не менее, чем в 10 раз меньше времени нарастания то. ка в электромагните исполнительного устройства 7. Этим обеспечивается практически полное отсутствие влияния задержки силового ключа на время включения электромагнита.30Через интервал времени, равный времени срабатывания электромагнита, , происходит срабатывание последнего, шток исполнительного органа 7 приходит в движение, и на выходе датчика 8 скорости появляется сигнал, пропорциональный скорости движения штока исполнительного органа 7. Когда этот сигнал достигнет заданного значения, срабатывает порого-, вый блок 9 (фиг. 3 0 9, момент вре 40 мени 12 ) . Появление низкого потен-.циала на выходе порогового блока 9 свидетельствует о полном срабатывании электромагнита исполнительно го устройства 7 и используется для4 Я перехода из режима форсированного включения .электромагнита в режим удержания. Появление низкого потенциала .на выходе порогового элемента 9 приводит к установлению нулевого потенциала на выходе второй схемы И 17, В этом случае на вход элемента ИЛИ 18 поступают только им.пульсы с выхода первой схемы И 16 и на выходе модулятора 3 длительности ф импульсов появляются импульсы, частота и скважность которых определяют ся частотой и скважностью выходных импульсов генератора 1 прямоуголь-"ного напряжения,Указанные импульсы осуществляютшИротно-импульсное управление усилителем 4, что позволяет снизить среднее значение его выходного напряжения, обеспечивая тем самым снижение.напряжения на обмотке электромагнита в режиме удержания, Ключ сглаживает пульсации напряжения на электромагните, в режиме удержания, обеспечивая уменьшение динамических потерь, Одновременно ключ формируетбезопасную траекторию переключениятранзистора усилителя 4, обеспечивая повышение надежности всего устройства в целом, При насыщенномтранзисторе усилителя 4 коллекторный ток протекает от плюсовой шиныисточника питания через первичнуюобмотку 13 трасформатора 12 в электромагнит и конденсатор 10. Диод 11при этом закрыт и вторичная обмотка15 трансформатора 12 не участвуетв работе ключа. При запертом состоянии оконечного транзистора усилителя 4, энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора 12 черезвторичную обмотку 14 и диод 11, возвращается в источник 15 питания, аконденсатор 10 обеспечивает непрерывность протекания тока электромагнита.В момент. времени 12, т,е. при переходе с режима форсировки на режимудержания электромагнита происходитперезаряд конденсатора 10. В зависимости от параметров ключа и электромагнита исполнительного органа 7перезаряд может иметь апериодичес"кий или автоколебательный характер,На фиг. 3 (О 6) показан случайавтоколебательного режима перезаряда конденсатора 10. В интервале времени ь -1 З осуществляется работа электромагнита в режиме удержания. В этом интервале напряжениена выходе порогового блока 9 равнонулю, что является сигналом, подтверждающим движение штока исполнительного органа 7, т.е, подтверждением нахождения электромагнита в.сработанном положении. Если в результате какого-либо внешнего воздействия произошло отключение электромагнита, выходной сигнал порогового органа 9 принимает уровень высокого потенциала и устройство ав-,томатически переходит в режим фор1 О сированного включения электромагнита, чем и обеспечивается высокая надежность работы предлагаемого устройства.В момент времени 3 происходит отключение выходного сигнала задатчика 2. Это приводит к запиранию оконечного транзистора усилителя 4 и передаче энергии, запасенной в трансформаторе 12, через обмотку 14 и диод 11 в источник питания. Индуктивность обмоток 13 и 14 трансфор матора 12 при практической реализа,ции устройства выбирается значительно меньше индуктивности электромагнита 6. Поэтому наличие трансформатора 12 практически не сказывается на процессе отключения электромагнита. Диод 11 не шунтирует обмотку электромагнита, поэтому после запирания оконечного каскада усилителя 4 ЭДС самоиндукции электромагнита отрицательной полярности прикладывается к конденсатору 10. В интервале времени 1- энергия, запасенная в магнитном поле электромагнитапередается в конденсатор 10. В интервале времени 1 -1 конденсатор 103. поддерживает отрицательное напряжение на электромагните, чем н обеспечивается эффект форсировки при его отключении. Формирование отрицательного напряжения на электромагните обеспечивается без применения реверсивных (мостовых или полумостовых) схем усилителя 4. Это обеспечивает низкую стоимость предлагаемого устройства. В момент времени 15 начинается движение якоря электромагнита при его отпускании. Выброс напряжения на электромагните в интер 84730 8вале времени - Ф появляется засчет изменения индуктивности электромагнита при движении его якоря.После отпускання электромагнита 5 в момент времени 1 ь) останавливается шток дополнительного органа 7,выходное напряжение порогового блока 9 (фиг, 3 О 9) принимает уровеньвысокого потенциала и устройство ос тается в выключенном состоянии доприхода следующего сигнала управленияустройством.Предлагаемое устройство обеспечивает автоматическое переключение 15 с режима форсировки на режим удержания электромагнита при любой скорости движения якоря электромагнита,а также автоматическое переключениес режима удержания на режим форсиров ки при отключении электромагнитанезависимо от причины, вызвавшейэто отключение. Этим обеспечиваетсязначительное повышение надежностипредлагаемого устройства по сравне нию с прототипом.Одновременно устройство обеспе- .чивает форсированное отключениеэлектромагнита беэ применения полумостовых или мостовых схем усилитеЗ 0 ля мощности, что существенно снижает стоимость устройства.Указанная схема позволяет на 20307. уменьшить время отключения элек"тромагнита. Это вызвано тем, что впредлагаемой схеме возможно получение отрицательного напряжения наэлектромагните любой величины, атакже возможно превышение длительности воздействия отрицательного 40 напряжения на электромагнит времениспада тока в его обмотке.1084730 2000/41 ВНИИПИ по 113035, Тираж 842, Подиисное Государственного комитета СССРелам изобретений и открытий сква, Ж, Раушская наб д. 4/ Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проект Составитель Г. НефедоваРедактор Ю. Середа Техред Т. Маточка Корректор 0, Ти1