ОДНОТАКТНЫЙ МНОГОЗОННЫЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
SINGLE-CYCLE MULTIZONE INTEGRATING CONVERTER

Изобретение относится к области импульсных преобразователей информации и может использоваться при автоматизации технологических процессов, в частности, в стабилизаторах напряжения.
Известен многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (МРП) (А.с. 1283801 СССР, G06G 7/12. Развертывающий преобразователь / Цытович Л.И. (СССР). - №3945653/24, заявлено 22.05.85, опубл. 15.01.87, бюл. №2), содержащий сумматоры, группу параллельно работающих интеграторов, нечетное число релейных элементов.
Устройство характеризуется высокой надежностью в работе при единичных отказах релейных элементов и относится к классу систем с самодиагностированием активных компонентов схемы и автоматическим вводом в работу работоспособных элементов (Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР, 1988. - №1. - С.81-85).
Недостатком известного технического решения является неэффективное использование числа «n» релейных элементов для формирования требуемого числа N модуляционных зон, которое определяется соотношением
N=(n+1)/2.
В результате ухудшается надежность работы МРП и его точность. Кроме того, в первой модуляционной зоне МРП работает в режиме двухтактной модуляции, когда выходные импульсы изменяются в пределах ±A/n, причем независимо от наличия или отсутствия входного сигнала. Это ухудшает энергетические показатели МРП и управляемого им силового преобразователя.
Наиболее близким к предлагаемому АЦП является многозонный развертывающий преобразователь (МРП) (а.с. СССР №1183988 от 27 апреля 1984 г., опубл. 07.10.85, Бюл. №37), содержащий сумматоры, интегратор, релейные элементы, входную и выходную клеммы.
Устройство-прототип относится к классу автоколебательных частотно-широтно-импульсных (ЧШИМ) преобразователей интегрирующего типа, обладает высокой помехоустойчивостью и точностью работы, что обусловлено замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора в прямом канале регулирования.
Недостатком устройства-прототипа также являются его недостаточно высокая точность из-за ограниченного числа модуляционных зон, а также низкие энергетические показатели.
В основу изобретения положена техническая задача повышения точности и энергетических показателей МРП.
Поставленная задача достигается тем, что однотактный многозонный интегрирующий преобразователь содержит последовательно включенные источник входного сигнала, первый сумматор и первый интегратор, группу из нечетного числа «n» релейных элементов, причем n≥3, 5, 7… целое число, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, причем, согласно изобретению, в него введены последовательно включенный третий сумматор, второй интегратор, ключевой элемент с зоной нечувствительности и четвертый сумматор, причем первый вход третьего сумматора соединен с выходом первого релейного элемента, а второй вход третьего сумматора подключен к выходу ключевого элемента с зоной нечувствительности, выходы всех релейных элементов, за исключением первого, подключены к соответствующим входам четвертого сумматора, выход которого подключен к выходу устройства.
Устройство имеет повышенные энергетические показатели и точность работы.
В результате введения новых элементов и связей между ними достигается повышение точности работы МРП за счет увеличения числа модуляционных зон, причем без введения новых релейных элементов и улучшаются энергетические показатели МРП путем перевода первой модуляционной зоны в режим однотактной ЧШИМ, когда при нулевом значении входного сигнала выходные импульсы устройства отсутствуют.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - структурная схема МРП;
Фиг.2 - характеристики отдельных звеньев структуры МРП;
Фиг.3, 4, 5 - временные диаграммы сигналов МРП;
Фиг.6, 7, 8 - диаграммы сигналов МРП, полученные при его моделировании в пакете Matlab+Simulink.
В состав устройства (фиг.1) входят первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 сумматоры, первый 5 и второй 6 интеграторы, релейные элементы 7-1…7-n, где n≥3 - нечетное целое число, ключевой элемент 8 с зоной нечувствительности, инвертор 9, входная 10 и выходная 11 клеммы.
Сумматоры 1, 2, 3, 4 выполнены с коэффициентом передачи по каждому из входов, равным 1,0.
1
2
1
2
Интеграторы 5, 6 реализованы с передаточной функцией вида W(p)=1/Tp, где T, Т - постоянные времени (фиг.1). В общем случае T≠T. Выходной сигнал интеграторов 5, 6 при скачке входного воздействия меняется линейно в направлении, противоположном знаку входного сигнала (фиг.2а).
1
2
3
n
Релейные элементы 7-1…7-n имеют симметричную петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию |±b|<|±b|<|±b|<…<|±b|,
1
3
где ±b - пороги переключения релейного элемента 7-1, а ±b - пороги переключения релейного элемента 7-3. Наибольшим значением порогов переключения обладает релейный элемент 7-n. Выходной сигнал релейных элементов 7-1…7-n меняется дискретно в пределах ±A/n (фиг.2б). В дальнейшем в примере ограничимся числом n=3.
Ключевой элемент 8 имеет зону нечувствительности ±C (фиг.2в).
Инвертор 9 выполнен с единичным коэффициентом передачи и предназначен для инвертирования знака выходных импульсов ключа 8.
Здесь и далее полагаем, что коэффициент передачи МРП со стороны информационного входа 10 равен единице, а изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования.
01
02
При включении МРП и нулевом входном сигнале релейные элементы 7-1…7-3 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние ±A/n=+A/3 (фиг.3в-д). Под действием выходного сигнала интегратора 5 (фиг.3б) происходит последовательное переключение в положение -A/3 блоков 7-1 и 7-2 (фиг.3в, г, моменты времени t, t), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал на выходе интегратора 5 нарастает в положительном направлении.
1
0
Начиная с момента времени, когда выходной сигнал интегратора становится равным порогу переключения +b релейного элемента 7-1, МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала на выходе интегратора 5 ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 7-1, а релейные элементы 7-2 и 7-3 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов состояниях (фиг.3г, д). Выходной сигнал сумматора 2 формируется за счет переключений релейного элемента 7-1 (фиг.3в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±A/3 (фиг.3е). При отсутствии входного сигнала (фиг.3a, t<t) среднее значение выходных импульсов сумматора 2 равно нулю.
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo><</mo><mi>t</mi><mo><</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
1
2
Наличие входной координаты с амплитудой меньшей чем A/3 (фиг.3a,
) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов на выходе сумматора 2, так как в интервале t (фиг.3в) выходной сигнал интегратора 5 (фиг.3б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 1 (фиг.3а, е), а в интервале t - скорость нарастания выходного сигнала интегратора 5 зависит от суммы этих воздействий. В результате среднее значение выходных импульсов сумматора 2 достигает величины, пропорциональной входному воздействию (фиг.3е).
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
03
1
2
Предположим, что в момент времени
входной сигнал увеличился дискретно до величины, превышающей A/3 (фиг.3а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 7-2 и 7-3, который заканчивается в момент времени t, когда релейный элемент 7-3 переключается в положение -A/3 (фиг.3д). Выходной сигнал сумматора 2 достигает уровня - A (фиг.3е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t, t (фиг.3в) скорость формирования выходного сигнала интегратора 5 (фиг.3б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 1. При этом среднее значение выходного сигнала сумматора 2 включает постоянную составляющую -A/3 первой и среднее значение импульсов второй модуляционных зон (фиг.3е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений входного сигнала сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Во всем диапазоне изменения входного воздействия статическая характеристика МРП «вход (аналоговый сигнал) - выход (среднее значение импульсов на выходе сумматора 2)» является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора 5 в прямом канале регулирования.
Сумматор 3, интегратор 6 и ключевой элемент 8 в совокупности образуют устройство преобразования биполярных импульсов в однополярные. При отсутствии входного сигнала на выходе релейного элемента 7-1 присутствуют биполярные импульсы равной длительности (фиг.4а). Выходной сигнал интегратора 6 имеет форму симметричной «пилы» с амплитудой, равной зоне нечувствительности ±C, поэтому импульсы на выходе ключевого элемента 8 отсутствуют.
При изменении скважности выходных импульсов релейного элемента 7-1 (фиг.4в) выходной сигнал интегратора 6 (фиг.4г) смещается «вертикально» в сторону, противоположную знаку постоянной составляющей выходных импульсов блока 7-1 (фиг.4в). Как только выходной сигнал интегратора 6 достигает порога -С ключевой элемент 8 открывается, на его выходе появляется импульс с амплитудой, равной амплитуде выходного сигнала релейного элемента 7-1 (фиг.4г, пунктир). Это объясняется наличием интегратора 6, который стремится обеспечить нулевое значение сигнала ошибки, что возможно только при равенстве абсолютных значений амплитуд импульсов на выходе релейного элемента 7-1 и ключевого элемента 8.
Инвертор 9 (фиг.4д) изменяет знак выходного сигнала ключевого элемента 8, в результате чего на выходе сумматора 4 присутствует однотактный импульс, в данном случае, положительной полярности.
Рассмотрим работу устройства в целом (фиг.5).
1
До момента времени t, когда входной сигнал МРП находится в пределах от нуля до - A/3 (фиг.5а), МРП работает в первой модуляционной зоне (фиг.5б-и), как это было показано ранее на фиг.4.
1
Предположим, что в момент времени t входной сигнал увеличился дискретно до величины, находящейся в пределах -A/3…-2A/3 (фиг.5а). Тогда выходной сигнал интегратора 5 (фиг.5б) продолжает нарастать в положительном направлении до тех пор, пока не произойдет переключение релейного элемента 7-3 (фиг.5д), что вызывает переход выходного сигнала сумматора 2 во вторую модуляционную зону (фиг.5е), ограниченную величинами A/3…2A/3. При этом сигнал на выходе интегратора 6 (фиг.5ж) меняет свое направление и стремится к пороговой величине +C. Это приводит к тому, что на выходе инвертора 9 формируются импульсы отрицательной полярности (фиг.5з), которые, суммируясь с выходными сигналами релейных элементов 7-2 (фиг.5г) и 7-3 (фиг.5д), переводят выходной сигнал сумматора 4 во вторую модуляционную зону (фиг.5и), которая ограничена диапазоном A/3…2A/3.
2
Если в момент времени t (фиг.5а) входной сигнал МРП вновь увеличился до значения большего чем 2A/3, то длительность импульса положительной полярности на выходе релейного элемента 7-1 становится больше длительности импульса отрицательной полярности (фиг.5в). Это приводит к тому, что сигнал на выходе интегратора 6 вновь меняет свое направление, стремясь достичь порогового уровня -C (фиг.5ж). Выходные импульсы инвертора 9 становятся положительными, а МРП переходит в третью модуляционную зону (фиг.5и).
На фиг.6а-ж приведены диаграммы сигналов МРП при гармоническом входном воздействии для первой модуляционной зоны выходных импульсов сумматора 4. Здесь и далее частота собственных автоколебаний МРП при нулевом входном воздействии составляла 10 кГц, частота гармонического сигнала - 10 Гц.
На фиг.7а-ж представлены те же диаграммы, но для работы МРП в трех модуляционных зонах. Сравнивая диаграммы фиг.6д, ж и фиг.7д, ж, видно, что у базовой схемы МРП при трех релейных звеньях формируются две модуляционных зоны, а у рассмотренного устройства таких зон три, т.е. их число соответствует числу «n» релейных элементов 7-1…7-n. Кроме того, в первой модуляционной зоне в предлагаемом устройстве импульсы на выходе появляются только при наличии входного сигнала, а в известном - эти импульсы присутствуют всегда независимо от величины входного воздействия. Там же приведены огибающие выходных сигналов сумматоров 2 и 4 (ступенчатый сигнал), полученные с помощью цифрового фильтра как результат вычисления среднего значения импульсов за интервал их дискретизации (период следования).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет:
1. Повышенные энергетические показатели, так как выходные импульсы в первой модуляционной зоне появляются только при наличии входного сигнала;
2. Более высокую точность, так как без введения дополнительных релейных элементов получен эффект увеличения числа модуляционных зон;
3. Отмеченные существенные отличия предлагаемого МРП по сравнению с известным достигнуты благодаря введению в структуру преобразователя сумматоров 3, 4, интегратора 6, ключевого элемента 8 с зоной нечувствительности и инвертора 9.
Предлагаемое техническое решение предполагается использовать в стабилизаторе напряжения автономной транспортной машины.