Преобразователь постоянного напряжения в переменное программируемой формы

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 111972650(22) Заявлено 04,01. 81 (21) 3230529/24-07с присоединением заявки Мо "(23) ПриоритетОпубликовано 071182. Бюллетень М 41Дата опубликования описания 07.11.82 1 з 11 М. К 1. Н 02 Р 13/18//Н 02 М 7/48 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретенияКиевский ордена Ленина политехнический институт,им. 50-летия Великой Октябрьской социалистическойреволюции(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ ПРОГРАММИРУЕМОЙ ФОРМЫ Изобретение относится к электро технике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразовательных установках с квазисинусоидальным выходным напряжением для стабилизированного прецизионного электропривода, в контрольно-испытательной аппаратуре с произвольной формой выходного сигнала.Известны преобразователипостоянного напряжения в переменное,содержащие блок управления и блоки силовых ключей и позволяющие формировать и стабилизировать квазисинусоидальное напряжение с определенным гармоническим составом 1 - 8 .К недостаткам схемы инвертора, описанной в 1 1, относятся невозможность регулирования частоты выходного напряжения в широком диапазоне и невозможность получения низких и инфранизких частот выходного напряже ния, что необходимо в устройствах прецизионного электропривода аппаратуры магнитной записи, так как инверторные ячейки имеют трансформаторный выход.Стабилизация выходного напряжения в инверторе, описанном в 23, осуществляется путем измерения величины напряжения основной гармонической составляющей выходного напряжения и запоминания этой величины на время следующего периода, в котором поступившее воздействие отрабатывается системой управления. Таким образом, возмущающее воздействие отрабатывает. ся устройством лишь через период выходного напряжения, что приводит к существенному снижению быстродействия и точности стабилизации, особенно на низких частотах. Задержка отработки возмущающего воздействия неизбежно приводит к искажению формы выходного напряжения, т.е. ухудшению его гармо. нического состава. Искажения формы могут быть довольно существенными, например при "сбросе" и "набросе" нагрузки, что в ряде случаев совершенно недопустимо.К недостаткам инверторов, описанных в 3 -7, относится сравнительно низкое быстродействие стабилизации напряжения, вызванное необходимостью выделения основной гармоники выходного на 1 тряжения и использования ее для получения пропорционального ей напряжения, сравниваемого с эталонным напряжением, что30 35 40 е 45 50 55 60 65 возможно только по окончании по мень шей мере одного периода выходного на пряжения. Кроме того, в процессе регулирования (стабилизации) выходного напряжения имеет место значительное изменение относительного содержания гармонических составляющих. Изменение гармонического состава может быть недопустимо большим (для точной аппаратуры магнитной записи)Это объясняется значительным влиянием формы кривой напряжения (тока) питания двигателя на величину колебаний мгновенной скорости вращения двигателя, являющейся одним из важных параметров такого привода.Таким образом, в статорной обмотке двигателя необходимо формировать синусоидальное воздействие.Особенно высоки требования к равномерности скорости вращения вала при питании двигателя напряжением низкой и инфраниэкой частоты (доли Гц),Использование инверторов с ШИМ выходного напряжения также не всегда рационально, так как при ШИМ напряжения питания двигателя имеет место глубокое изменение гармо нического состава, кроме того, може проявляться дискретность привода на низких частотах. Применение на выходе системы фильтров для подавления высших гармоник .и исгВльзование прин ципа "слежения" за формой выходного сигнала не всегда целесообразно,так как в системе преобразователь - двигатель может возникнуть явление конденсаторного самовоэбуждения, которое проявляется в виде устойчивых автоколебаний и в "застревании" двигателя на скорости, не соответствующей частоте напряжения питания,Применение механических фильтров (маховиков) также нецелесообразно, так как существенно ухудшается динамика системы. Таким образом, наиболе предпочтительными в устройствах точной магнитной записи является формирование амплитудно-модулированного напряжения питания двигателяКроме того, рассмотренные преобразователи не позволяют программировать форму выходного сигнала,или закон управления приводом и не обладают возможностью совместной работыс ЭВМ.К недостаткам преобразователя, описанного в8, относятся неудовлетворительные массогабаритные показатели,обусловленные наличием ряда источников постоянного напряжения, невысокие быстродействие и точность стабилизации, обусловленные задержкой отработки возмущающего воздействия. Задержка объясняется тем,что для отработки определенного возмущающего воздействия система должна совершить несколько циклов ноконтуру стабилизации, пока выработанныйею код не компенсирует"возмущающеевоздействие,При регулировании (стабилизации)выходного напряжения неизбежны изме 5 нения гармонического состава, таккак регулировать можно только припомощи ключевых элементов, выполняющих функцию формирования формы, Кроме того, данная структура, функцио 10 нируя по принципу уравновешивания,может выходить эа пределы областиустойчивости, т.е. может быть структурно-неустойчивой,Наболее близким к изобретению потехнической сущности является устройство, содержащее модулятор, амплитудный квантователь и демодулятор науправляемых ключевых элементах, атакже блок управления этими ключевыми20 элементами 19,К недостаткам известного преобразователя относится отсутствие возможности регулирования величины выходного напряжения в широком диапазоне,при котором обеспечивалось бы каквысокое качество, так и постоянство гармонического состава напряжения во всем диапазоне регулирования.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя при повышенном качестве и постоянстве гармонического состава его выходного напряжения.поставленная цель достигается тем, что в схему преобразователя постоянного напряжения в переменное программируемой формы, содержащую последовательно соединенные модулятор, амплитудный квантователь и демодулятор с управляемыми ключевыми элементами, а также блок управления этими ключевыми элементами, последовательно соединенные измерительный выпрямитель, входом подключенный к выходу демодулятора, аналого-цифровой блок,цифровой вычитатель и блок инверсии, причем амплитудный квантователь выполнен в виде в последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая иэ которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки, введен цифровой сумматор, один из входов которого соединен с информационным выходом блока управления, а выход подключен к другому входу цифрового вычитателя, причем амплитудный квантователь дополнительно снабжен п последовательно соединенными по выходу силовыми ячейками, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двухключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки, при этом управляющие электроды ключевых элементов силовых ячеек поразрядно связаны с и выходами блока инверсии.На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема преобразователя;на Фиг. 2 - схема амплитудного квантователя на фиг. 3 - пример реализации блока управления; на фиг, 4 пример выполнения схемы сравнения кодов; на фиг. 5 - пример реализации цифрового сумматора; на фиг.б диаграммы, иллюстрирующие импульсы управления ключами квантователя и форму выходного напряжения для двух случаев управляющего кода Я.Функциональная блок-схема преобразователя (фиг. 1) содержит последовательно соединенные модулятор 1, квантователь 2, демодулятор 3 на управляющих ключевых элементах с двусторонней проводимостью, причем модулятор 1 и демодулятор 3 могут быть выполнены, например, по мостовой схеме инвертора напряжение, а амплитудный квантователь 2 выполнен в виде в последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собой замкнутуюцепь иэ последовательно включенных,обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, блок 4 управления ключевыми элементами этих блоков, а также измерительный выпрямитель 5, входом подключенный к выходу демодулятора 3, аналого-цифровой блок б, входом подключенный к выходу измерительного выпрямителя 5, цифровой вычитатель 7, одним иэ входов подключенный к выходу аналого-цифрового блока б, цифровой сумматор 8,один из выходов которого сое-динен с информационным входом блока 4 управления, на второй его выход подается управляющее воздействие Я, а выход подключен к другому выходу цифрового вычитателя 7, и блок 9 инверсии, входами соединенный с выходами цифрового вычитателя 7Квантователь 2 дополнительно снабжен и последовательно соединенными по выходу силовыми ячейками, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов, силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки,при этом управляющие электроды ключевых элементов дополнительно введенных силовых ячеек поразрядно связаны с и выходами блока 9 инверсии. Выход демодулятора 3 является выходом преобразователя.Преобразователь работает следующим образом. На информационном выходе блока 4 управления Формируется двоичный параллельный многоразрядный код Х, в любой момент времени соответствующий величине аппроксимирующего выходного переменного напряжения, например кваэисинусоидального.Модулятор 1 вырабатывает высокочастотное напряжение типа "меандр", 10 Блок управления осуществляет коммутацию ключей К+ ККм и КгчК, , Кквантователя 2 (фиг 2)в соответствии с двоичным алгоритмомуправления, включая эти ключи в опре 15 деленные моменты времени. При этомна выходе квантователя 2 Формируетсяимпульсное амплитудно-модулированное напряжение, которое после демоду.ляции представляет собой дискретную о аппроксимацию синусоидального сигнала. Напряжение на обмотках высокочастотного трансформатора квантователя2, которые подключены к ключам К иКд выполняющих Функцию Формирова ния сигнала, пропорциональны весамдвоичных разрядов И = Уо 2, Ц =32", Ц = (12" ",где П - шагквантования.Однако величина выходного перемен- ЗО ного напряжения по ряду причин может,не соответствовать управляющему коду,вырабатываемому блоком 4 управления.Квазисинусоидальное напряжение свыхода демодулятора 3 после выпрямле ния (выпрямителем 5) поступает навход аналого-цифрового блока б, гдепреобразуется в двоичный многоразрядный код У.Код У соответствует величине ре ального выходного напряжения. Одновременно код Х, соответствующий требуемому выходному напряжению, поступает на один из входов цифрового сумматора 8, где суммируется с управляю щим воздействием - кодом Я. Суммаэтих кодов Х+Я поступает на одиниз входов цифрового вычитателя 7.Навторой его вход поступает код У.Послевычитания кода 1 из кода Х+Ц управляющее воздействие Х+Ц-У поступает на входы блока 9 инверсии, который реализует"отрицательность" контура обратнойсвязи. Блок 9 инверсии представляетсобой набор обычных инверторов (элементов НЕ) по числу разрядов управляющего кода, Таким образом, на выходеблока 9 инверсии формируется обратныйкод Х+-У, который управляет ключсвыми элементами К+ КК и К 2К .К, дополнительно введенных ф силовых ячеек квантователя 2 (фиг, 2).Напряжение на дополнительных обмотках трансформатора квантователя 2также пропорциональны весам двоичныхразрядов, но шаг квантОвания П может б 5 и не соответствовать шагу квантова972650 н 1 я П силовых ячеек, выполняющихф,ункцию Формирования; В равновесном состоянии, когда реальное выходное напряжение соответствует требуемому, т.е. код Х равен1 коду У, число включенных ключей К квантователя 2 соответствует коду Ц.Поддерживается общий коэффициент трансформации квантователя, обеспечивающий равновесное состояние, При уменьшении выходного напряжения код У становится меньше Х и тем более меньше кода Х+Я. На выходе вычитателя 7 Формируется код, который превышает Я на величину Х, при этом на выходе блока 9 инверсии будет код, который меньше кода Я на величину Х-У,. т. е. Я+Х-Г.Таким образом, этот код соответствует уменьшению числа включенных ключей К т.е. уменьшению общего/коэффициента трансформации квантователя 2, причем ровно на столько, чтобы скомпенсировать падение выходного напряжения, те. на величину Х-У.Изменяя регулирующее воздействие Я, можно регулировать величину выходного напряжения в широких пределах, т.е. в пределах от минимально возможного до максимально возможного общего коэффициента трансформации квантователя 2.Таким образом, цифровые сумматор и вычитатель, а .также блок инверсии, реализующие функцию Х+Я-У и установленные в цепи обратной связи,обеспечивает как стабилизацию, так и регулирование выходного напряжения,причем не искажая Форму выходного сигнала.Для более ясного представления о работе преобразователя целесообразно рассмотреть работу блока 4 управления (фиг. 3), Блок 4 управления вырабатывает сигналы, синхронно коммутирующие ключевые элементы преобразо вателя, и включает в себя задающий генератор 10, управляемый делитель 11 частоты, счетчик 12 длительности ступеней, постоянное запоминающее устройство 13 (ПЗУ), реверсивный счетчик 14 управления ключами квантователя триггер 15 управления реверсивным счетчиком, триггер 1 б управления ключами демодулятора,схему 17 сравнения кодов, а также элементы 18-21, необходимые для функционирования блока управления.ПЗУ содержит числа, записанные в двоичном коде, которые соответствуют длительностям ступеней выходного напряжения, причем абсолютная длительность ступени определяется поформуле 5 10 15 20 25 30 35 40 где Т - период импульса задающегоОгенератора;с- число, соответствующее длительности 1-й ступени.Работу схемы удобнее рассматривать, начиная с момента времени, когда в счетчиках 12 и 14 записаны нулевые коды, а триггер 15 находится в состоянии "1". При этом на выходе ПЗУ 13 устанавливается код, выбираемый по адресу "0" и соответствующий длительности нулевой ступени. На счетный выход счетчика 12 непрерывно поступают импульсы опорной частоты. При наборе в счетчике 12 кода,соответствующего длительности первой ступени, сигнал с выхода схемы 17 сравнения кодов через открытую схему 18 совпадения поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 14, При этом изменяется его состояние на "1". Кром; того, обнуляется счетчик 12, Изменение состояния счетчика 14 вызывает изменение информации на выходе ПЗУ, которая теперь соответствует длительности первой ступени, а также вызывает включение источника Ц, в квантователеСчетчик 12 длительности ступеней повторно заполняется импульсами гене. ратора 10 до того момента, пока не произойдет набор кода, соответствующего длительности первой ступени,поступающей с ПЗУ.Аналогичным образом происходит формирование управляющего кода реверсивного счетчика 14 для всех последующих ступеней первой четверти периода, за исключением верхней ступени. В ПЗУ записывается число, соответствующее половине длительности верхней ступени. При наборе этого кода в счетчике 12 импульс со схемы 17 срав. нения переполняет реверсивный счетчик 14 (его состояние становится 0000). Импульс переполнения счетчика 14 с выхода +Р опрокидывает триггер 15 и задним фронтом через сборку 19 вычитает единицу из счетчика. Таким образом, после формирования первой половины верхней ступени выход схемы 17 сравнения оказывается подключенным к вычитающему входу счетчика 14, а его состояние111, т.ес выхода ПЗУ подается од, соответствующий длительности половины верхней ступени.При наборе в счетчике 12 кода, соответствующего половине верхней сту пени, импульс с выхода схемы 17 сравнения поступает на вычитающийвход счетчика 14 и уменьшает его состояние на единицу и т.д.При переходе счетчика 14 через "0" происходит опрокидывание триггеров 15 и 16 и аналогично формируется отрицательная полуволна выходного напряжения. Триггер 16 и схемы 20 и 21 служат для управления работой ключей демодулятора 3. Реверс импульсов управления ключами блока 3 происходит в моменты перехода кривой выходного напряжения через "0". Синхронизация реверса осуществляется импульсом с выхода -Р реверсивного счетчика 14. В качестве ПЗУ может использоваться микросхема К 505 РР 1 (программируемое постоянное запоминающее устройство), микросхемы К 505 РЕЗ или 1601 РР 1 обладающие возможностью стирания и хранения информации при отсутствии напряжения питания. На фиг. 4 представлен вариант исполнения схемы 17 сравнения кодов . рязрядностью М с поразрядным сравнением.Для обеспечения глубокого регулирования частоты выходного напряжения преобразователя блок 4 управления содеряп"т управляемый делитель 11 частоты, который изменяет час. эту "опроса" ПЗУ. Таким образом, регулирование частоты выходного напряжения -также не искажает ,Форму выходного напряжения. В качестве делителя 11 может использоваться кодоуправляемый делитель (микросхема К 155 ИЕ 8),у ко- торого 15 сирующего возмущение. Преобразователь техВых о 4 49 При использовании преобразователядля питания синхронного микродвигателя типа ДСПпри регулированиичастоты от 25 до 400 Гц и при наличиичетырех Формирующих и четырех регули рующих силовых ячеек в квантователекоэффициент искажения синусоидальности кривой выходного напряжения остается строго постоянным как в установившемся, так и в переходном ре жимах и составляет 2.Это позволяет использовать предлагаемое решение в аппаратуре прецизионных систем электропитания: прецизионном частотно-регулируемом электроприводе, контрольно-испытательнойаппаратуре с произвольной формой выходного сигнала, иммитаторах, исполнительных органах АСУ. Формула изобретения но соединенные модулятор, амплитудный65 квантователь и демодулятор с управгде Н - управляющее воздействие,На фиг. 5 представлен вариант выполнения цифрового сумматора 8 наоснове одноразрядных комбинационныхсумматоров с последовательным переносом,Цифровой вычитатель реализуетсяаналогично сумматору, за исключениемтого, что вычитаемое число (например,У) подается на входы вычитателя вобратном коде.В качестве аналого-цифрового блока б используется обычный аналогоцифровой преобразователь.На фиг. б представлена диаграмма,иллюстрирующая импульсы управленияключами квантования 2, обеспечивающие формирование квазисинусоидального выходного напряжения, а такжеформа выходного напряжения при двухразличных кодах управляющего воздействия ЯКак видно из диаграммы, коды Я иопределяют только различные шагиквантования сигнала по уровню посредством изменения коэффициента трансформации квантователя 2, не искажаяформу сигнала. Технико-экономический эффект отиспользования предлагаемого устройства состоит в том, что использование новых блоков и связей обеспечивает не только высококачественную 5 стабилизацию, но и глубокое регулирование параметров выходного напряжения произвольной формы. Стабилизацияхарактеризуется максимально возможным быстродействием и высокой точ ностью, так как для отработки возмущающего воздействия система должнасовершать только один цикл по контуру стабилизации, что обеспечиваетформирование кода, полностью компенобеспечивает глубокое и независимое регулирование величины выходного на. пряжения и его частоты, в том числе инфранизкой, причем как регулирование, так и стабилизация совершенно не искажают заданную форму выходного напряженияСледует подчеркнутьпростоту процесса программированияформы и схемотехнической реализации 25 преобразователя. Задание управляющих воздействив цифровом коде исоздание преобразователя, использующего принципы импульсно-кодовой модуляции, не только сохраняет высокуюточность системы и существенно упрощает ее связь с ЭВМ, но и обеспечивает линейность законов управления,что играет существенную роль в целом ряде устройств прецизионных систем электропитания. Кроме того, предлаЗ 5 гаемая структура преобразователя вотличие от известных относится к классу релейных САР и является структурно-устойчивой. Преобразователь постоянного напряжения в переменное программируемой Формы, содержащий последователь 972650ляемыми ключевыми элементами, блокуправл ния этими ключевыми злементамн а также последовательно соединенные измерительный выпрямитель,входом подключенный к выходу демодулятора, аналого-цифровой блок, цифровой вычитатель и блок инверсии,причем амплитудный квантователь выполнен в виде в последовательно соединенных по выходу силовых ячеек,каждая из которых представляет собой 10замкнутую цепь из последовательновключенных обмотки трансформатора идвух ключевых элементов, силовыеэлектроды одного из которых образуютвосходы ячейки, о т л и ч а ю - 15щ и й с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностейпреобразователя при повыщенном качестве и постоянстве гармоническогосостава его выходного напрякения, 2 Ов .него введен цифровой сумматор,один из входов которого соединен синформационным выходом блока управления, а выход подключен к другому входу цифрового вычитателя, причем ампли тудный квантователь дополнительноснабжен и последовательно соединенными по выхоцу силовыми ячейками, какдая из которых представляет собойзамкнутую цепь из последовательновключенных обмотки трансформатораи дьух ключевых элементов, силовыеэлектроды одного из которых образуютвыходы ячейки, при этом управляющие электроды ключевых элементов силовыхячеек поразрядно связаны с и выходамиблока инверсии,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРР 505104, кл, Н 02 М 7/48, 1971.2, Егоров В.А., Кисляков Ю.В.,Обухов С,Г. Регулирование и стабилизация выходного напряжения инверторанапряжения. - В кн. "Современные задачи преобразовательной техники",Киев изд-во ИЭД АН УССР, 1975,с. 4, 157-165.3. Патент США Р 3473039,кл.307-11,1977.4. Патент США Р 3697768,кл.307-31,1978.5. Заявка Великобритании Р 1288741,кл. Н 023/12, 1978.6. Заявка франции Р 2178806,кл. Н 02 Р 13/00, 1973.7. Заявка ФРГ Р 1513228,кл, Н 02 Р 13/20, 1974.8. Авторское свидетельство СССРР 813629, кл. Н 02 М 7/48, 1979,9. Гусев С.И., Сенько В,И., Смирнов В.С., Торопчинов Ю.К. Принципыпостроения прецизионных преобразователей с программируемой формой выходного напряжения. - "Техническаяэлектродинамика", Киев. "Науковадумка", 1980, вып, 5, с. 49-55 (про-.тотип).972650 Составитель Г. Мыцык Лукач Техред Т.Фанта Корректор Вненк Редак илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна 33/48 Тираж ВНИИПИ Госуда по делам из 113035, Москва, 21 Подписнтвенного комитета СССРретений и открытий