ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
DIGITAL MODULATOR FOR FREQUENCY CONVERSION

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в преобразователях частоты для управления электродвигателями переменного тока.
Наиболее близким по технической сущности является цифровой модулятор для преобразователя частоты (см. патент РФ №2216850, опубл. 20.11.2003, бюл. №32), содержащий генератор прямоугольных импульсов, четыре счетчика, три триггера, четыре элемента ИЛИ, инвертор, два элемента И, шесть элементов И-НЕ, три дешифратора, два формирователя импульсов, два сумматора, два регистра, двочно-шестиричный счетчик, схему ограничения, схему сброса, шесть выходных шин, шину входного сигнала и шину знака.
Недостаток наиболее близкого цифрового модулятора заключается в том, что он позволяет сформировать только линейный закон регулирования напряжения в функции частоты силового преобразователя и не имеет возможности независимого регулирования максимальной частоты напряжения и широтно-импульсной модуляции.
Технический результат достигается тем, что в цифровой модулятор для преобразователя частоты, содержащий первый генератор прямоугольных импульсов, первый, второй, третий и четвертый счетчики, первый, второй и третий триггеры, первый, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ, инвертор, первый и второй элементы И, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И-НЕ, первый, второй и третий дешифраторы, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй сумматоры, первый и второй регистры, двоично-шестиричный счетчик и схему сброса, причем выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с первыми входами первого и второго счетчиков и первого и второго элементов ИЛИ, первый выход первого триггера соединен с вторым входом первого и первым входом третьего элементов ИЛИ, второй выход первого триггера соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и первыми входами четвертого элемента ИЛИ и двоично-шестиричного счетчика, выходы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами третьего счетчика, выход первого счетчика соединен с первым входом первого элемента И, выход первого формирователя импульсов соединен с входом второго формирователя импульсов и вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами двоично-шестиричного счетчика, первый, второй и третий выходы двочно-шестиричного счетчика соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первого, второго и третьего дешифраторов, выход первого сумматора соединен с первым входом первого регистра, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, старший разряд выхода первого регистра соединен с первым входом второго регистра и первым входом четвертого счетчика, выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов, выход схемы сброса соединен с первыми входами первого триггера и второго элемента И, вторыми входами первого регистра и первого элемента И, выход третьего счетчика соединен с первым входом второго триггера, выход которого соединен с четвертыми входами первого, второго и третьего дешифраторов, выход второго счетчика соединен с первым входом третьего триггера, первый выход которого соединен с пятым входом первого дешифратора, а второй выход - с пятым входом второго дешифратора, выход первого элемента И соединен с вторыми входами второго и третьего триггеров, первого и второго счетчиков, третьим входом третьего счетчика и входом инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого триггера, выход второго формирователя импульсов соединен с вторым входом второго элемента И и шестыми входами первого и второго дешифраторов, выход второго сумматора соединен с вторым входом второго регистра, выход которого соединен с первым входом второго сумматора и третьим входом второго счетчика, выход второго элемента И соединен с третьим входом второго регистра, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы первого дешифратора соединены соответственно с первыми входами первого, шестого, второго, четвертого, третьего и пятого элементов И-НЕ, выходы которых соединены с выходными шинами, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы второго дешифратора соединены соответственно с вторыми входами третьего, пятого, первого, шестого, второго и четвертого элементов И-НЕ, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы третьего дешифратора соединенны соответственно с третьими входами пятого, первого, шестого, второго, четвертого и третьего элементов И-НЕ, дополнительно введены второй генератор прямоугольных импульсов, третий и четвертый регистры, четвертый триггер, седьмой элемент И-НЕ и третий формирователь импульсов, причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с третьим входом первого регистра и первым входом седьмого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, шина сигнала задания частоты соединена с первым входом третьего регистра, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, шина сигнала задания напряжения соединена с первым входом четвертого регистра, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора и четвертым входом третьего счетчика, шина сигнала знака соединена с первым входом четвертого триггера, выход которого соединен с третьим входом первого триггера, шина сигнала синхронизации соединена с первым входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого регистров и четвертого триггера, выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входом третьего формирователя импульсов, выход схемы сброса соединен с вторым входом четвертого счетчика, третьими входами третьего и четвертого регистров и четвертого триггера и четвертым входом двоично-шестиричного счетчика.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет с помощью предлагаемого цифрового модулятора формировать различные законы регулирования напряжения в функции частоты силового преобразователя и обеспечить возможность независимого регулирования максимальной частоты напряжения и широтно-импульсной модуляции.
На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового модулятора для преобразователя частоты, на фиг. 2 - функциональная схема двоично-шестиричного счетчика, на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства, на фиг. 4 - диаграммы фазных и линейного напряжений на статоре электродвигателя переменного тока.
Цифровой модулятор для преобразователя частоты (фиг. 1) содержит генератор 1 и 2 прямоугольных импульсов, счетчики 3, 4, 5 и 6, триггеры 7, 8, 9 и 10, элементы 11, 12, 13 и 14 ИЛИ, инвертор 15, элементы 16 и 17 И, элементы 18, 19, 20, 21, 22, 23 и 24 И-НЕ, дешифраторы 25, 26 и 27, формирователи 28, 29 и 30 импульсов, сумматоры 31 и 32, регистры 33, 34, 35 и 36, двочно-шестиричный счетчик 37, схему 38 сброса, выходные шины 39, 40, 41, 42, 43 и 44, шину 45 сигнала задания частоты, шину 46 сигнала задания напряжения, шину 47 сигнала знака и шину 48 сигнала синхронизации.
Выход генератора 1 прямоугольных импульсов соединен с первыми (счетными) входами счетчиков 4 и 6 и первыми входами элементов 11 и 12 ИЛИ. Первый (прямой) выход триггера 8 соединен с вторым входом элемента 11 ИЛИ и первым входом элемента 14 ИЛИ. Второй (инверсный) выход триггера 8 соединен с вторым входом элемента 12 ИЛИ и первыми входами элемента 13 ИЛИ и двоично-шестиричного сетчика 37. Выходы элементов 11 и 12 ИЛИ соединены соответственно с первым (обратного счета) и вторым (прямого счета) входами счетчика 4. Выход (переноса) счетчика 6 соединен с первым входом элемента 16 И. Выход формирователя 28 импульсов соединен с входом формирователя 29 импульсов и вторыми входами элементов 13 и 14 ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с третьим (обратного счета) и вторым (прямого счета) входами двоично-шестиричного счетчика 37. Первый, второй и третий (информационные) выходы двочно-шестиричного счетчика 37 соединены соответственно с первым, вторым и третьим (информационными) входами дешифраторов 25, 26 и 27. Выход сумматора 31 соединен с первым (информационным) входом регистра 35, выход которого соединен с первым входом сумматора 31. Старший разряд выхода регистра 35 соединен с первым (стробирования) входом регистра 36 и первым (прямого счета) входом счетчика 3, выход которого соединен с входом формирователя 28 импульсов. Выход схемы 38 сброса соединен с первым (сброса) входом триггера 8 и первым входом элемента 17 И, вторым (сброса) входом регистра 35 и вторым входом элемента 16 И. Выход переноса счетчика 5 соединен с первым (установки) входом триггера 10, прямой выход которого соединен с четвертыми (разрешения) входами дешифраторов 25, 26 и 27. Выход переноса счетчика 4 соединен с первым (установки) входом триггера 9, первый (прямой) выход которого соединен с пятым (разрешения) входом дешифратора 25, а второй (инверсный) выход - с пятым (разрешения) входом дешифратора 26. Выход элемента 16 И соединен с вторыми (сброса) входами триггеров 9 и 10, вторыми (стробирования) входами счетчиков 4 и 6, третьим (стробирования) входом счетчика 5 и входом инвертора 15, выход которого соединен с вторым (стробирования) входом триггера 8. Выход формирователя 29 импульсов соединен с вторым входом элемента 17 И и шестыми (разрешения) входами дешифраторов 25 и 26. Выход сумматора 32 соединен с вторым (информационным) входом регистра 36, выход которого соединен с первым входом сумматора 32 и третьим (информационным) входом счетчика 4. Выход элемента 17 И соединен с третьим (сброса) входом регистра 36. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 25 соединены соответственно с первыми входами элементов 18, 23, 19, 21, 20 и 22 И-НЕ, выходы которых соединены с выходными шинами 39, 44, 40, 42, 41 и 43. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 26 соединены соответственно с вторыми входами элементов 20, 22, 18, 23, 19 и 21 И-НЕ. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 27 соединенны соответственно с третьими входами элементов 22, 18, 23, 19, 21 и 20 И-НЕ. Выход генератора 2 прямоугольных импульсов соединен с третьим (стробирования) входом регистра 35 и первым входом элемента 24 И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом элемента 16 И. Шина 45 сигнала задания частоты соединена с первым (информационным) входом регистра 33, выход которого соединен с вторым входом сумматора 31. Шина 46 сигнала задания напряжения соединена с первым (информационным) входом регистра 34, выход которого соединен с вторым входом сумматора 32 и четвертым (информационным) входом счетчика 5. Шина 47 сигнала знака соединена с первым (информационным) входом триггера 7, выход которого соединен с третьим (информационным) входом триггера 8. Шина 48 сигнала синхронизации соединена с первым входом формирователя 30 импульсов, выход которого соединен с вторыми (стробирования) входами регистров 33 и 34 и триггера 7. Выход седьмого элемента И-НЕ соединен с вторым входом формирователя 30 импульсов. Выход схемы 38 сброса соединен с вторым (стробирования) входом счетчика 3, третьими (сброса) входами регистров 33 и 34 и триггера 7 и четвертым входом двоично-шестиричного счетчика 37.
Генераторы 1 и 2 прямоугольных импульсов могут быть выполнены, например, на микросхемах КР1533ЛА21 с кварцевой стабилизацией или с времязадающими конденсаторами. Счетчики 3, 4, 5 и 6, например, выполнены на микросхемах КР1533ИЕ7, триггеры 7, 8, 9 и 10 могут быть выполнены, например, на микросхемах КР1533ТМ2. Элементы 11, 12, 13 и 14 ИЛИ, например, выполнены на микросхеме КР1533ЛЛ1, инвертор 15 - на микросхеме КР1533ЛН1, элементы 16 и 17 И - на микросхеме КР1533ЛИ1, элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 И-НЕ - на микросхемах КР1533А4, элемент 24 И-НЕ - на микросхеме КР1533ЛА3. Дешифраторы 25, 26 и 27 могут быть выполнены, например, на микросхемах КР1533ИД7, формирователи 28, 29 и 30 импульсов - на микросхемах К555АГ3, сумматоры 31 и 32 - на микросхемах К555ИМ6, регистры 33, 34, 35 и 36 - на микросхемах КР1533ТМ8.
Двоично-шестиричный счетчик 37 (фиг. 2), например, содержит двоичный счетчик 49, элементы 50 И, формирователь 51 импульсов и элемент 52 И-НЕ. Первый, второй и третий разряды выхода счетчика 49 являются соответственно первым, вторым и третьим выходами двоично-шестиричного счетчика 37. Второй и третий выходные разряды счетчика 49 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента 50 И, выход которого соединен с входом формирователя 51 импульсов. Выход формирователя 51 импульсов соединен с первым входом элемента 52 И-НЕ, выход которого соединен с входом сброса счетчика 49. Выход переноса счетчика 49 соединен с входом стробирования названного счетчика. Первый и четвертый разряды информационного входа счетчика 49 соединены с общей шиной, а на второй и третий разряды подается сигнал логической единицы. Третий вход элемента 50 И является первым входом двоично-шестиричного счетчика. Входы прямого и обратного счета счетчика 49 являются соответственно вторым и третьим входами двоично-шестиричного счетчика 37. Второй вход элемента 52 И-НЕ является четвертым входом двоично-шестиричного счетчика 37.
Схема 38 сброса, например, может быть выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем второй вывод резистора присоединяется к шине питания, а второй вывод конденсатора - к общей шине. Вывод резистора, соединенный с конденсатором, является выходом схемы 38 сброса.
Цифровой модулятор для преобразователя частоты работает следующим образом.
U
U
U
После включения напряжения питания схема 38 сброса формирует сигнал, который устанавливает в исходное состояние триггеры 7 и 8, регистры 33, 34 и 35 и двоично-шестиричный счетчик 37. Этот же сигнал через элемент 17 И устанавливает в исходное состояние регистр 36, а через элемент 16 И устанавливает в исходное состояние триггеры 9 и 10, стробирует счетчики 3, 4, 5 и 6 и далее через инвертор 15 стробирует триггер 8. С задержкой времени, определяемой срабатыванием элемента 24 И-НЕ и длиной импульса формирователя 30, в регистр 33 с шины 45 записывается цифровой код , определяющий требуемую частоту силового преобразователя, в регистр 34 с шины 46 записывается цифровой код N, пропорциональный требуемой величине напряжения, а в триггер 7 с шины 47 - знак входного сигнала. Через период времени, определяемый частотой генератора 1 прямоугольных импульсов и разрядностью счетчика 6, произойдет очередное стробирование счетчиков 5 и 6 и триггера 8. При этом сигнал N с выхода регистра 34 записывается в прямом (при положительном знаке сигнала) или дополнительном (при отрицательном знаке сигнала) коде в счетчик 5, а код знака этого сигнала записывается в триггер 8. В зависимости от знака входного сигнала импульсы генератора 1 с частотой  проходят либо через элемент 11 ИЛИ (знак положительный), либо элемент 12 ИЛИ (знак отрицательный) и поступают соответственно либо на вход обратного счета, либо на вход прямого счета счетчика 5. В зависимости от модуля величины N входного сигнала на выходах переноса счетчика 5 через промежуток времени
после начальной установки (стробирования) появится отрицательный импульс (фиг. 3,а). Этот отрицательный импульс с выхода счетчика 5 поступает на вход установки триггера 10, на выходе которого при этом появляется сигнал высокого уровня (фиг. 3,б). Прямоугольные импульсы с генератора 1 поступают также на счетный вход счетчика 6. Поэтому на выходе переноса счетчика 6 через промежуток времени
где n - количество разрядов двоичного счетчика,
после начальной установки появляется отрицательный импульс (фиг. 3,в), который, пройдя через элемент 16 И, поступает на вход сброса триггера 10 и возвращает его в исходное состояние. Отрицательный импульс с выхода счетчика 6 через элемент 16 И стробирует счетчики 4, 5 и 6 и через инвертор 15 - триггер 8, после чего процесс формирования выходных сигналов счетчиков 5 и 6 и триггера 10 повторяется. В результате на выходе триггера 10 (фиг. 3,б) формируется сигнал со скважностью
Одновременно с работой названных выше элементов сигнал  с выхода регистра 33 поступает на вход сумматора 31 и суммируется с сигналом на выходе регистра 35. В первоначальный момент времени на выходе регистра 35 находится нулевой сигнал. По приходу импульса с генератора 2 в регистр 35 записывается сигнал с выхода сумматора 31 и далее процесс повторяется. В результате происходит нарастание сигнала на выходе сумматора 31 и регистра 35. Вследствие этого на старшем разряде выхода регистра 35 появляется сигнал высокого уровня с частотой , которая при наличии двойной разрядности сумматора 31 и регистра 25 линейно зависит от величины  входного сигнала:
U
3
U
Наряду с этим, входной сигнал N поступает на вход сумматора 32 со сдвигом вправо на k разрядов и суммируется с сигналом на выходе регистра 36. В первоначальный момент времени на выходе регистра 36 находится нулевой сигнал. По приходу импульса со старшего разряда регистра 35 в регистр 36 записывается сигнал с выхода сумматора 32 и далее процесс повторяется. В результате на выходе регистра 36 происходит линейное нарастание сигнала. Этот сигнал записывается при стробировании в счетчик 4, на выходе переноса которого появляется отрицательный импульс через интервал времени t, зависящий от величины сигнала на входе счетчика 4. Этот отрицательный импульс поступает на вход установки триггера 9, на выходе которого появляется сигнал высокого уровня. По приходу на вход сброса триггера 9 отрицательного импульса с выхода элемента 16 И на выходе триггера 9 устанавливается сигнал низкого уровня. И далее процесс повторяется. В результате на прямом выходе триггера 9 формируется сигнал переменной скважности (при неизменном сигнале N на входе цифрового модулятора)
и при положительном знаке входного сигнала эта скважность линейно возрастает (фиг. 3,г). На инверсном выходе триггера 9 также формируется сигнал переменной скважности
Импульсы со старшего разряда выхода регистра 35 поступают на вход счетчика 3, имеющего k двоичных разрядов. На выходе переноса счетчика 3 появляются импульсы с частотой
Эти импульсы поступают на вход формирователя 28 импульсов и далее на формирователь 29 импульсов. Отрицательный импульс с выхода формирователя 29, пройдя через элемент 17 И, сбрасывает выходной сигнал регистра 36 на ноль. Затем процесс формирования линейно изменяющегося сигнала на выходе регистра 36 и переменной скважности на выходах триггера 9 повторяется.
Импульсы с формирователя 28 в зависимости от знака входного сигнала поступают либо на вход прямого счета, либо на вход обратного счета двоично-шестиричного счетчика 37. При этом на первом, втором и третьем выходах названного счетчика формируются периодические сигналы (фиг. 3,д, е, ж соответственно), причем частота  появления одного и того же кодового сочетания на этих выходах
П
И
U
В зависимости от кодового сочетания сигналов выходов двоично-шестиричного счетчика 37 и сигналов с триггеров 9 и 10 дешифраторы 25, 26 и 27 через элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 И-НЕ подают чатотно-широтно-модулированный сигнал на выходные шины 39, 40, 41, 42, 43 и 44 (фиг. 3,з, и, к, л, м, н) цифрового модулятора. При этом частота  смены сочетаний работающих выходов меняется в функции сигнала , скважности γ, γ и γ изменяются в функции входного сигнала N, а форма фазных и линейного напряжений (с учетом усреднения широтно-модулированного сигнала) принимает вид, изображенный на фиг. 4.
Сигнал с выхода формирователя 29 импульсов используется также для блокировки дешифраторов 25 и 26, что позволяет организовать раздвижки фронтов при смене кодовой комбинации на выходе двоично-шестиричного 37.
Частота генератора 1 прямоугольных импульсов определяет частоту широтно-импульсной модуляции. Частота генератора 2 прямоугольных импульсов задает максимальное значение частоты напряжения на выходе силового преобразователя. Наличие двух входных шин 45 и 46 позволяет формировать любой закон регулирования напряжения в функции частоты.
Таким образом, предложенный цифровой модулятор для преобразователя частоты позволяет формировать различные законы регулирования напряжения в функции частоты и обеспечить возможность независимого регулирования максимальной частоты напряжения и широтно-импульсной модуляции.