Патент на изобретение №2341016

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в системах управления широтно-импульсными преобразователями. Достигаемый технический результат-повышение помехоустойчивости и быстродействия. Способ характеризуется тем, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, значение сигнала управления на периоде модуляции сравнивают с опорным сигналом и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и среднего значения сигнала управления, для которого задают полосу пропускания AS_y=(U_max-U_min) от максимально допустимого значения U_max до минимально допустимого значения U_min, сравнение опорного сигнала осуществляют либо с мгновенными значениями сигнала управления, если последние находятся в пределах заданной полосы пропускания AS_y, либо со средним значением сигнала управления, если мгновенные значения последнего выходят за пределы заданной полосы пропускания AS_y. 2 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники и силовой электроники и может быть использовано в системах управления широтно-импульсными преобразователями вида и параметров электрической энергии, силовая схема которых является источником интенсивных электромагнитных помех импульсного характера.

Известен способ формирования широтно-импульсного сигнала, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, который сравнивают с сигналом управления и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и сигнала управления [1, 2].

Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость, что приводит к нарушению заданной функциональной зависимости между длительностью выходных импульсов и величиной сигнала управления при аддитивном воздействии на последний электромагнитных помех импульсного характера.

Известен способ формирования широтно-импульсного сигнала, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, определяют среднее значение сигнала управления на периоде модуляции, которое сравнивают с опорным сигналом и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и среднего значение сигнала управления [3, 4].

Недостатком известного способа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что модуляция длительности выходного импульса в текущем периоде осуществляется в зависимости от среднего значения сигнала управления, полученного на предыдущих периодах.

Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении помехоустойчивости и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что для сигнала управления задают полосу пропускания S_у=(U_max-U_min) от максимально допустимого значения U_max до минимально допустимого значения U_min, контролируют мгновенные значения сигнала управления, а процедуру сравнения опорного сигнала осуществляют либо с мгновенными значениями сигнала управления, если последние находятся в пределах заданной полосы пропускания S_у, либо со средним значением сигнала управления, если мгновенные значения последнего выходят за пределы заданной полосы пропускания S_у.

На фиг.1 изображена схема широтно-импульсного модулятора, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 – варианты задания полосы пропускания для сигнала управления.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит одноканальные реляторы 1, 2, 3, 4, фильтр нижних частот 5, генератор опорного сигнала 6, источник выходного напряжения 7. В состав одноканального релятора 1 (2, 3, 4) входит дифференциальный компаратор 8 (9, 10, 11 соответственно), управляющий замыкающим 12 (13, 14, 15 соответственно) и размыкающим 16 (17, 18, 19 соответственно) ключами переключательного канала. Одноканальные реляторы 1, 2 образуют амплитудный селекторный фильтр 20. Вход амплитудного селекторного фильтра 20 получен объединением прямых входов дифференциальных компараторов 8, 9 и переключательных входов замыкающего 12 и размыкающего 16 ключей одноканального релятора 1, а выход получен объединением переключательных выходов замыкающего 13 и размыкающего 17 ключей одноканального релятора 2. При этом замыкающий 12 и размыкающий 16 ключи одноканального релятора 1 соединены последовательно с размыкающим 17 и замыкающим 13 ключами соответственно одноканального релятора 2. Вход амплитудного селекторного фильтра 20 объединен с входом фильтра нижних частот 5 и является входом широтно-импульсного модулятора, на который поступает сигнал управления. К выходу амплитудного селекторного фильтра 20 подключены прямой вход дифференциального компаратора 10 и переключательный вход замыкающего ключа 14 одноканального релятора 3, а к выходу фильтра нижних частот 5 подключен переключательный вход размыкающего ключа 18 одноканального релятора 3. На инверсные входы дифференциальных компараторов 8, 9 подаются напряжения смещения U_min, U_max соответственно, разность которых определяет ширину полосы пропускания S_у=(U_max-U_min) амплитудного селекторного фильтра 20. На инверсный вход дифференциального компаратора 10 подается напряжение смещения U_min, задающего порог переключения одноканального релятора 3 на нижней границе полосы пропускания амплитудного селекторного фильтра 20. Переключательный выход одноканального релятора 3, образованный объединением переключательных выходов замыкающего 14 и размыкающего 18 ключей, подключен к инверсному входу дифференциального компаратора 11 одноканального релятора 4. К прямому входу дифференциального компаратора 11 подключен генератор опорного сигнала 6. Переключательные входы замыкающего 15 и размыкающего 19 одноканального релятора 4 подключены к разноименным полюсам источника выходного напряжения 7. Переключательный выход одноканального релятора 4, полученный объединением переключательных выходов замыкающего 15 и размыкающего 19 ключей, является выходом широтно-импульсного модулятора, на котором формируется широтно-импульсный сигнал.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: S_у – сигнал управления на входе широтно-импульсного модулятора; – постоянная составляющая (среднее значение) сигнала управления, выделяемая на выходе фильтра нижних частот 5; S₀(t) – опорный сигнал развертывающего вида; U_min, U_max – напряжения смещения, задающие границы полосы пропускания амплитудного селекторного фильтра 20; U_шим – выходной широтно-импульсный сигнал.

Способ формирования широтно-импульсного сигнала заключается в следующем.

Одноканальный релятор 1 (2, 3, 4) воспроизводит базовые бинарные операции предикатной алгебры выбора (ПАВ), которыми являются ПАВ-дизъюнкция (V) и ПАВ-конъюнкция ()

где y₁, y₂ – предметные переменные, действующее на переключательных входах замыкающего 12 (13, 14, 15) и размыкающего 16 (17, 18, 19) ключей соответственно; x₁, x₂ – предикатные переменные, действующие на компараторных входах дифференциального компаратора 8 (9, 10, 11); I(x) – единичная функция, равная нулю при x<0 или единице при x>0 и формируемая на выходе дифференциального компаратора 8 (9, 10, 11).

В базисе бинарных ПАВ-операций (1), (2) при выборе соответствующих вариантов отождествления предметных и предикатных переменных задается селекторная ПАВ-функция сигнала управления

Селекторная ПАВ-функция (3) принимает значения сигнала управления, т.е. Z=S_у, только в заданной полосе пропускания S_y, ограниченной «сверху» максимальным U_max, а «снизу» минимальным U_min значениями. Во всех других случаях Z=0. Графическое изображение селекторной ПАВ-функции (3) при различных вариантах ограничения U_max, U_min сигнала управления S_у представлено на фиг.2. Как видно, полосу пропускания S_y можно размещать в нужной области значений сигнала управления S_у, например, симметрично относительно нуля при реализации алгоритмов двухтактной ШИМ (фиг.2а), в области положительных значений с порогом (фиг.2б) или без порога (фиг.2в) при реализации алгоритмов однотактной ШИМ.

Аппаратурную реализацию селекторной ПАВ-функции (3) осуществляет амплитудный селекторный фильтр 20. Для этого одноканальному релятору 1 заданы следующие условия отождествления предметных и предикатных переменных

Надстрочный индекс в обозначении предметных и предикатных переменных здесь и далее по тексту соответствует номеру одноканального релятора на фиг.1.

При указанных условиях отождествления бинарные ПАВ-операции (1), (2) принимают одинаковые значения

а одноканальный релятор 1 осуществляет декомпозицию сигнала управления S_y по критерию достижения заданного уровня на две составляющие, одна из которых

формируется на переключательном выходе замыкающего ключа 12 при S_yU_min, a другая составляющая

формируется на переключательном выходе размыкающего ключа 16 при S_ymin.

Полученные составляющие используются в качестве предметных переменных одноканального релятора 2, для которого заданы следующие условия отождествления предметных

и предикатных переменных

При указанных условиях отождествления бинарные ПАВ-операции (1), (2) принимают вид

Как видно, ПАВ-функция (5) подавляет сигнал управления в диапазоне значений S_у=(U_max-U_min), а ПАВ-функция (4) тождественна селекторной ПАВ-функции (3), поскольку характеризуется одинаковой шириной полосы пропускания S_у=(U_max-U_min) для сигнала управления S_y.

Сигнал, соответствующий селекторной ПАВ-функции (4), формируется на переключательных выходах замыкающего 13 и размыкающего 17 ключей и, соответственно, на выходе амплитудного селекторного фильтра 20. При отсутствии электромагнитных помех, когда величина сигнала управления S_y не выходит за пределы полосы пропускания S_y, сигнал на выходе амплитудного селекторного фильтра 20 равен по величине сигналу управления S_y. При аддитивном воздействии интенсивных электромагнитных помех импульсного характера положительной U_ЭП ⁺ или отрицательной U_ЭП ^– полярности, когда (S_y+U_ЭП ⁺)U_max или (S_y-U_ЭП ^–)U_min,сигнал на выходе амплитудного селекторного фильтра 20 равен нулю.

Одноканальный релятор 3 должен выбирать сигнал с выхода амплитудного селекторного фильтра 20 или с выхода фильтра низких частот 5. Поэтому для одноканального релятора 3 заданы следующие условия отождествления предметных

и предикатных переменных

При выбранных условиях отождествления бинарные операции (1), (2) принимают вид

и осуществляют альтернативный выбор либо S_y, либо .

На выходе фильтра нижних частот 5 формируется сигнал , равный по величине постоянной составляющей (среднему значению) сигнала управления S_y, т.е. повторяющий последний с точностью до пульсаций, обусловленных, как правило, аддитивным воздействием на сигнал управления S_y импульсных электромагнитных помех. Поэтому, требованию повышения помехоустойчивости широтно-импульсного преобразования отвечает ПАВ-функция (6), которую и реализует одноканальный релятор (3) при указанной на фиг.1 схеме подключения компараторных и переключательных входов. В результате, на переключательных выходах замыкающего 14 и размыкающего 18 ключей одноканального релятора 3 действует сигнал управления S_y при отсутствии импульсных электромагнитных помех или среднее значение сигнала управления при высоком уровне импульсных электромагнитных помех. При этом необходимый уровень помехозащищенности может корректироваться изменением значений напряжений смещения U_min, U_max в соответствии с реальной электромагнитной обстановкой, в которой функционирует предлагаемое устройство.

Для одноканального релятора 4 заданы условия отождествления предметных

и предикатных переменных

при которых бинарные ПАВ-операции (1), (2) воспроизводят процедуру однотактной широтно-импульсной модуляции

где E – величина напряжения на зажимах источника выходного напряжения 7; (- логическая связка «или»;

Соответственно, одноканальный релятор 4 в процессе воспроизведения бинарных ПАВ-операций (1), (2) выполняет широтно-импульсное преобразование, а на переключательных выходах замыкающего 15 и размыкающего 19 ключей формируется широтно-импульсный сигнал U_шим. Взаимозамещение предметных или предикатных переменных сопровождается взаимозамещением бинарных операций и, соответственно, инверсией выходного широтно-импульсного сигнала, т.е.

Таким образом, при отсутствии импульсных электромагнитных помех сигнал управления S_y через амплитудный селекторный фильтр 20 и замыкающий ключ 14 одноканального релятора 3 поступает на инверсный вход дифференциального компаратора 11 одноканального релятора 4. На прямой вход дифференциального компаратора 11 поступает опорный сигнал S₀(t) от генератора опорного сигнала 6. В результате сравнения опорного сигнала S₀(t) и сигнала управления S_y осуществляется преобразование _и=f(S_y), где _и – длительность выходного импульса на периоде модуляции. Одновременно на выходе фильтра нижних частот 5 формируется сигнал , равный среднему значению (постоянной составляющей) сигнала управления S_y. Любые изменения, включая и скачкообразные, сигнала управления S_y в пределах заданной полосы пропускания S_y=(U_max-U_min) адекватно отражаются на длительности выходного импульса уже в текущем периоде модуляции, т.е. достигается предельное для выбранной частоты быстродействие широтно-импульсного преобразования.

В условиях интенсивных электромагнитных помех U_ЭП ⁺ или U_ЭП ^–, амплитудный селекторный фильтр 20 блокирует прохождение искаженного сигнала (S_y+U_ЭП ⁺) и/или (S_y-U_ЭП ^–), одновременно выходной сигнал фильтра нижних частот 5 через замыкающий ключ 14 одноканального релятора 3 передается на инверсный вход дифференциального компаратора 11. В результате, одноканальным релятором 4 осуществляется преобразование причем режим широтно-импульсного преобразования практически не изменится, т.е., если величина во время аддитивного воздействия импульсной электромагнитной помехи сохранится равной величине сигнала управления S_y до указанного воздействия. Для этого постоянная времени фильтра нижних частот 5 должна существенно, на порядок и более, превышать продолжительность импульсной электромагнитной помехи. Увеличение постоянной времени не отразится на динамических характеристиках широтно-импульсного преобразования, поскольку прекращение импульсных электромагнитных помех сопровождается возвратом к режиму функционирования без фильтра нижних частот 5 в цепи сигнала управления.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить положительный эффект, который заключается в повышении помехоустойчивости без ухудшения динамических характеристик широтно-импульсного преобразования. Эффективность предлагаемого способа тем выше, чем больше скважность импульсных электромагнитных помех, воздействующих на сигнал управления.

Источники информации

2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие. – Изд. 2-е испр. и доп.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 664 с.(рис.5.2.1, рис.12.6.1).

Формула изобретения

Способ формирования широтно-импульсного сигнала, заключающийся в том, что задают последовательность периодов модуляции, разворачивают на каждом периоде модуляции опорный сигнал, определяют среднее значение сигнала управления на периоде модуляции, которое сравнивают с опорным сигналом, и формируют выходной импульс на каждом периоде модуляции в течение интервала знакопостоянства разности опорного сигнала и среднего значения сигнала управления, отличающийся тем, что для сигнала управления задают полосу пропускания S_y=(U_max-U_min) от максимально допустимого значения U_max до минимально допустимого значения U_min, контролируют мгновенные значения сигнала управления, а процедуру сравнения опорного сигнала осуществляют либо с мгновенными значениями сигнала управления, если последние находятся в пределах заданной полосы пропускания S_y, либо со средним значением сигнала управления, если мгновенные значения последнего выходят за пределы заданной полосы пропускания S_y, S_y – ширина полосы пропускания сигнала управления; U_max – максимально допустимое значение сигнала управления; U_min – минимально допустимое значение сигнала управления.

РИСУНКИ

PC4A – Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:

Кувшинов Андрей Алексеевич,
Кувшинов Алексей Алексеевич,
Абрамов Геннадий Николаевич

(73) Патентообладатель:

Общество с ограниченной ответственностью “А-МЕГА”

Договор № РД0052038 зарегистрирован 30.06.2009

Извещение опубликовано: 10.08.2009 БИ: 22/2009