Широтно-импульсный модулятор для управления усилителем мощности

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1718 1)5 Н 03 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ВТОР 9олитехнический ин и А,М, ЛихСР,С. Мам ельство ССК 7/08, 199 ельство ССК 708, 198 цю(54) ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ(57) Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в системах управления электропривода 4 ми постаяннога тока. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости широтно- импульсного модулятора для управления усилителем мощности при малыхзначениях управляющего напряжения - достигается введением двухвходового логического элемента ИЛИ 17, двух логических элементов 2 И - 2 ИЛИ 14, 15, ключа 18 с управляемым коэффициентом пеоедачи, источника 16 опорного напряжения, первого и второго О-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.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; Ел - 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: Оу - управляющее напряжение, Т - 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 О-триггеры, первый 14 и второй 15 логические элементы 2 И - 2 ИЛИ, 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 соответст 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 венно 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 О-входами соответственно первого 12 и второго 13 О-триггеров и первыми входами соответственно первого 14 и второго 17 логических элементов 2 И - 2 ИЛИ, 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 2 И - 2 ИЛИ 14 объединены соответственно с четвертым и вторым входами второго логического элемента 2 И - 2 ИЛИ 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 2 И - 2 ИЛИ соединены с входами первого 19 и второго 20 логических элементов НЕ, выходы которых совместно с выходами логических элементов 2 И - 2 ИЛИ 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 2 Т, Эти последовательности определяют состояние первого и второго коммутаторов 4 и 5, При Оз = О, Оз = =- е, где Ъ - напряжение, соответствущее уровню логической единицы, первый коммутатор 4 находится в положении а, а второй 5 - в положении б. При Оз = е и Оз = О, наоборот, первый коммутатор 4 находится в положении б, а второй 5 - в положении а. Кроме того, сигналы Оз и Оз поступают на входы соответственно первого 6 и второго 7 формирователей импульсов сброса, которые по отрицательным эффектам входных импульсов формируют короткие импульсы Ов и О, устанавливающие интеграторы 8 и 9 в исходное состояние Ов = О, О 9 = О,Так как управляющие входы коммутаторов подключены соответственно к прямому40 50 55 и инверсному выходам триггера 3, то они всегда каходятся в противоположных состояниях (соответственно а и б или б и а) и подключают к входам интеграторов 8 и 9 поочередно управляющее напряжение Оу или постоянное опорное напряжение -Ъо или +Ьо, 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 Т. В начальный момент т = 0 первый интегратор 8 выходным импульсом 06 первого формирователя импульсов установлен в состояние 08 = О. На выходе второго интегратора 9 при с = 0 имеется начальное напряжение Оц(0). В первом такте при Оси Т на прямом выходе триггера 3 действует сигнал с уровнем логического "0", а на инверсном - логической "1" с,е, следовательно, первый коммутатор 4 находитея в состоянии а, а втооой коммутатор 5 в состоянии б. К входу первого интегратора 8 приложено управляющее напряжение Оу, а к входу второго интегратора 9 - постоянное опорное напряжение 018, поступающее с выхода ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи, Знак напряжения 018 определяется состоянием логического элемента ИЛИ 17; при 017 = О 018 = ( о при 017 = "lе 018 = =-Ы. Состояние логического элемента ИЛИ 17 в свою очередь определяется выходными сигналами первого 12 и второго 13 0 триггеров, которые устанавливаются в.зависимости от выходных напряженийсоответственно первого 10 и второго 11компараторов в моменты времени, соответствующие положительным фронтам импульсных последовательностей Оз и 0 з, поступающих на С-входы О-триггеров 12 и 13 с прямого и инверсного выходов Т-триггера 3,При положительном управляющем напряжении Оу выходное напряжение одного из интеграторов 8 или 9 в моменты, соответстйующие тактовым импульсам 02, всегда положительно (фиг. 3). Следовательно, в эти моменты один из с.-триггеров 12 или 13 устанавливается в состояние, соответствующее действию на его выходе логической "1", Ои = Уе ИЛИ 01 З =Ъ е, СЛЕдОВатЕЛЬНО, НаПряжение на выходе логического элемента ИЛИ 17 в этом случае соответствует уровню логической еДиниЦы 018 =бе, и на выхоДе ключа 18 с управляемым коэффициентом передачи действует напряжение 018 = -с,о,При отрицательном входном напряжении Оу0 (фиг. 4) напряжения на выходах интеграторов 8 и 9 в моменты, соответствующие тактовым импульсам 02, отрицательны. Следовательно, в эти моменты оба О-триггера 12 и 13 устанавливаются в состояния 012 = 0; 01 з = О, сигнал на выходе логического элемента ИЛИ 17 017 = 0 и выходкое напряжение ключа 18 с управляемым коэффициентом передайи равно 018 = =О.Установка знака опорного напряжекия 018 =. Го в зависимости от интеграла от выходного управляющего напряжения в моменты, соответствующие тактовым импульсам 02, 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 Оу 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 ОуО, В первом такте (О1Т) выходные напрякения первого и второго интеграторов 8 и 9 определяются выражениями соответствен- но сОу = 09(0) К 9,) Ообс,огде К 8 и Кэ - коэффициенты передачи интеграторов 8 и 9 соответственно,Напряжение на выходе первого интегратора 8 при постоянном входном сигнале линейно наРастает по законУ 08 = К 80 у 1 и полокительно. На выходе последовательно соединенного с ним компаратора 10 на протяжении всего такта выходное напряжение остается неизменным, равным уровню логической единицы 01 о =Ъе.На выходе второго интегратора 9 напрякение изменяется от Оу(0) = ЫЗД0 в соответствии с выражением Щ 1) = КэОуТ - К 90 о 1О, так как 018 = -И на этом такте, В результате напряжение на выходе второго компаратора 11 в момент времени 11 скачком измекится отУе до О. В конце первого такта при т = Т выходное напряжение второго интегратора 9 выходным импульсом 07второго формирователя 7 импульсов сброса устанавливается в состояние 09 Щ = О.Выходное напряжение первого интегРатоРа 8 08 изменЯетсЯ по законУ 08= КЯОут, при т = Т достигает значения ОЯ(Т) = КЯОуТ,Во втором такте (Тт2 Т) выходные напряжения первого и второго интеграторов 8 и 9 определяются выражениями соответственно108 = КЯОуТ - К 8Ьодт;т09= Кд,( Оус 11. (1)тНапряжение на выходе первого интегратора 8 линейно изменяется от 08(0) = =К 80 уТ0 по законУ08(т) = К 80 уТ К 80 о(т - Т).В результате напряжение на выходе первого компаратора 10 в момент времени 12 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 неиэменн ым и равн ы м 011 = Ье.В конце второго такта при т = 2 Т первый интегратор 8 выходным импульсом ОЯ первого формирователя б импульсов сброса установится в исходное состояние 08(2 Т) = О,Выходное напряжение второго интегратора 9 Од определения выражением09 = К 90 у(1 - Т) и пРи 1 = 2 достигает значения Од(2 Т) = К 90 уТ.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 2 ИИЛИ, На вторых входах этих элементов действуют сигналы. Оз и 03 с прямого и инверсного выходов Т-триггера 3. На третьих входах первого 14 и второго 15 логических элементов 2 И - 2 ИЛИ действуют сигналы с выходов соответственно первого 12 и второго 13 О- триггеров, которые при положительном управ- ЛяЮщЕМ НаПряжЕНИИ раВНЫ 012 = 1 е, 013= еЧетвертые входы первого 14 и второго 15 логических элементов 2 И - 2 ИЛИ подключены соответственно к инверсному и прямому выходам Т-триггера 3, Следовательно, в первом такте входные сигналы первого 14 и второго 15 логических элементов 2 И - 2 ИЛИ равныОвх 15.1 = 010 = Ге,Овх 15.2 = 03 = 0;Овх 15,3 = 012 = К;Овх 15.4 = 03 = /е,1 е ПРи 0 (т (11,Овх 14.1 = 011 = О, при 11 ( т ( ТОвх 14.2 = 03 = 1-е5 Овх 14.3 = 013 = ЖОвх 14.4 = Оз = О.В результате на выходах первого 14 ивторого 15 логических элементов 2 ИИЛИв первом такте действуют сигналы10 014 =епри 0 (.т (т 1;при 11 (т (Т15 Изменение состояния первого компаратора 10 в первом такте из-за помех (фиг. 3) не вызывает ложных переключений первого логического элемента 2 ИИЛИ, так как в этом интервале времени на его втором вхо де действует сигнал Оз = О. В результатеэтого обеспечивается повышенная помехоустойчивость модулятора,Аналогично во втором такте25 1.е, при Т (т (тг;(О, при тг (т (2 Т; 015 =Ув,Выходные импульсы первого 14 и второ 30 го 15 логических элементов 2 И - 2 ИЛИ поступают на входы первого и второго логическихэлементов НЕ 19 и 20, на входах которыхформируются импульсные последовательности 019 = 014 и 02 о = 015, Управляющие35 импульсы 014, 015, 019, 02 о поступают наинформационные входы силовых транзисторных ключей 21 - 24 соответственно. Винтервале времени 0тт 1 ключи 19 и 20закрыты, а ключи 21 и 24 открыты. Ток про 40 текает по цепи: "плюс" источника питания -ключ 21 - нагрузка 25 - ключ 24 - "минус"источника питания. В интервале времени11тТ ключи 22 и 24 закрыты, а ключи 21и 23 открыты. При этом нагрузка закорочена45 открытыми ключами 21 и 23. В интервалевремени Тттг ключи 22 и 23 закрыты, аключи 21 и 24 открыты. Ток протекает поцепи: "плюс" источника питания - ключ 21 -нагрузка 25 - ключ 24 - "минус" источника50 питания. В интервале тгт2 Т ключи 21 и23 закрыты, а ключи 22 и 24 открыты и шунтируют нагрузку, .Таким образом, широтно-импульсныймодулятор обеспечивает поочередное уп 55 равление мостовым усилителем мощности,наиболее эффективное с энергетическойточки зрения.При отрицательном управляющем напряжении Оу0 процессы аналогичны рас. смотренным. Отличие состоит в том, чтоподключение нагрузки к источнику питанияосуществляется с помощью ключей 22 и 23,при этом ток протекает по цепи; "плюс" источника питания Еп - ключ 23 - нагрузка 25 - 5ключ 22 - . "минус" источника питания, Приэтом изменяется полярность напряженияна нагрузке 25 (фиг, 4).Для определения статической характеристики широтно-импульсного модулятора 10для управления усилителем мощности подставим в уравнение (1) значения т = с 2 ирешим его относительно 7= с 2 - Т.В результате получим т = Т - .Оу15оОтносительная длительность импульсов при этом равна(2)т,е, прямо пропорциональна управляющему 20напряжению,Таким образом, широтно-импульсныймодулятор для управления усилителем мощности отличается. от известных устройстваналогичного назначения повышенной помехоустойчивостью за счет интегральногоалгоритма формирования импульсов управления.Другими важными достоинствами предлагаемого технического решения являются:линейная статическая характеристика, простота конструкции, реализация поочередно-.го алгоритма управления мостовымусилителем.Таким образом, введение в широтноимпульсный модулятор для управленияусилителем мощности двухвходового логического элемента ИЛИ, двух логических элементов 2 И - 2 ИЛИ, ключа с управляемымкоэффициентом передачи, источника опорного напряжения и двух О-триггеров обеспечивает повышение помехоустойчивостипри малых значениях управляющего напряжения.Использование широтно-импульсного 45модулятора для управления усилителеммощности в различных устройствах промышленной электроники и электротехникипозволит улучшить технические характеристики усилительно-преобразовательных устройств,Формула изобретенияШиротно-импульсный модулятор дляуправления усилителем мощности, содержащий источник управляющего напряжения, 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 обьединены 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, первь 1 й и второй логические элементы НЕ, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости при малых значениях управляющего напряжения, в него дополнительно введены двухвходовый логический элемент ИЛИ, два логических элемента 2 И - 2 ИЛИ, ключ с управляемым коэффициентом передачи, источник опорного напряжения, первый и второй О-триггеры, О-входы которых обьединены с первыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2 И - 2 ИЛИ и соединены с выходами первого и второго компараторов, С-входы объединены с вторыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2 И - 2 ИЛИ и четвертыми входами соответственно второго и первого логических элементов 2 И - 2 ИЛИ 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 2 И - 2 ИЛИ 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 2 И - 2 ИЛИ соединены с входами соответственно первого и второго логических элементов НЕ, выходы которых совместно с выходами логических элементов 2 И - 2 ИЛИ являются выходами устройства.1718375 б- +" ектор М.Максимишинец ко едакто КНТ СССР И Госу зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагари Заказ 8 ВНИУ, М,витель МЛеоновд М,Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5