АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ДАТЧИК НУЛЕВОГО ТОКА
ANALOGUE-DIGITAL ZERO CURRENT SENSOR

Устройство относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления силовыми вентильными преобразователями в качестве датчика нулевого тока.
Датчики нулевого тока (ДНТ) применяются в реверсивных тиристорных преобразователях (ТП) с раздельным управлением, входят в состав логических переключающих устройств и предназначены для формирования разрешающего логического сигнала («0» или «1») на переключение групп силовых вентилей «Вперед» и «Назад» и управления переключателями характеристик.
я
Известен ДНТ компараторного типа (Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие. - Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1989. - 320 с.). Гистерезисная характеристика ДНТ формируется цепью положительной обратной связи на резисторах. На второй вход усилителя подается сигнал смещения от потенциометра, резистора и стабилитрона, а через дополнительный резистор - контролируемое напряжение, пропорциональное току якоря электродвигателя I. Для преобразования биполярного выходного сигнала усилителя в однополярный служит транзисторный каскад. Формирование фронтов выходных импульсов ДНТ и его согласование с последующими логическими схемами управления вентильного преобразователя осуществляется с помощью инвертора.
я
В случае, когда входной сигнал ДНТ превышает его порог включения, усилитель находится в «отрицательном» состоянии, и на выходе ДНТ формируется логический «0», запрещающий подачу импульсов управления на неработающую группу силовых вентилей ТП. При входном сигнале, удовлетворяющем условию I≈0, усилитель переключается в противоположное состояние и на выходе ДНТ появляется логическая «1», при которой разрешается включение ранее не функционирующей группы силовых тиристоров ТП.
Недостатком известного ДНТ является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам, что характерно для компараторных устройств в целом. Включение дополнительных фильтров на информационном входе ДНТ зачастую не приводит к желаемому результату, т.к. импульсные помехи могут проникать на вход компаратора через дополнительные паразитные емкостные или индуктивные связи в каналах передачи данных и приводить к его ложным переключениям.
Известен датчик тока (SU №698004, G06G 7/12, заявл. 12.06.78 г., опубл. 15.11.79 г., Бюл. №42), содержащий разделительный трансформатор с двумя обмотками, усилитель, резисторы, конденсатор, стабилитроны.
Известное устройство имеет низкую чувствительность в области «малых» токов, поэтому не может выполнять функции ДНТ.
Наиболее близким к предлагаемому ДНТ является устройство (RU №2390906 С1, МПК Н02М 1/08, G06G 7/12, заявл. 12.04.2009 г., опубл. 27.05.2010 г., Бюл. №15), содержащее последовательно включенные источник сигнала управления, первый четырехполюсник, сумматор, интегратор, первый релейный элемент, выход которого через второй четырехполюсник подключен к второму входу сумматора, последовательно включенные пропорционально-дифференцирующее звено, демодулятор, сглаживающий фильтр, второй релейный элемент, выход которого подключен к выходной клемме, нелинейное звено с зоной нечувствительности, вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - соединен с третьим входом сумматора, при этом вход пропорционально-дифференцирующего звена соединен с выходом первого релейного элемента.
Недостатком устройства-прототипа является низкая температурная стабильность характеристик, обусловленная дрейфовыми параметрами выходного релейного элемента, что не позволяет использовать ДНТ в ТП, работающих в широком температурном диапазоне окружающей среды.
Таким образом, прототип характеризуется низкой точностью работы при существенных колебаниях температуры окружающей среды.
В основу изобретения положена техническая задача, направленная на повышение точности работы ДТП при существенных колебаниях температуры окружающей среды.
Предлагаемый аналого-цифровой датчик нулевого тока, содержащий последовательно включенные источник сигнала управления - входная клемма, входной четырехполюсник, сумматор, интегратор, релейный элемент, ключевой элемент, причем выход релейного элемента через четырехполюсник обратной связи подключен ко второму входу сумматора, а также содержащий нелинейное звено с зоной нечувствительности, вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - подключен к третьему входу сумматора, выходную клемму, характеризуется тем, то в него введены два одновибратора, последовательно включенные генератор счетных импульсов и логический элемент «2И», последовательно включенные суммирующий счетчик, регистр памяти (D-вход) и цифровой компаратор, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, а ко второму входу цифрового компаратора подключен источник двоичного сигнала, также введены элемент задержки, вход которого подключен к выходу первого одновибратора, а выход - соединен с R-входом суммирующего счетчика, С-вход суммирующего счетчика подключен к выходу логического элемента «2И», и элемент «nИ-НЕ», входы которого подключены к выходам суммирующего счетчика, а выход - подключен ко второму входу логического элемента «2И», кроме того, последовательно включены второй одновибратор и введенный логический элемент «2ИЛИ», выход которого подключен к С-входу регистра памяти, второй вход логического элемента «2ИЛИ» подключен к выходу первого одновибратора, вход второго одновибратора подключен к выходу логического элемента «nИ-НЕ», при этом вход первого одновибратора соединен с выходом ключевого элемента.
Особенностью предлагаемого ДТН является его повышенная точность в широком температурном диапазоне окружающей среды, достигаемая за счет цифрового алгоритма обработки информации с выхода автоколебательного канала ДНТ, реализуемого за счет введения новых элементов и функциональных связей между ними в соответствии с формулой изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где на
Фиг.1 дана структурная схема предлагаемого ДНТ;
Фиг.2, 3 приведены временные диаграммы сигналов предлагаемого ДНТ.
В состав устройства входят (фиг.1) последовательно включенные источник сигнала управления - входная клемма 1, входной четырехполюсник 2, сумматор 3, интегратор 4, релейный элемент 5, ключевой элемент 6. Причем выход релейного элемента 5 через четырехполюсник обратной связи 7 подключен ко второму входу сумматора 3. К выходу интегратора 4 также подключено нелинейное звено 8 с зоной нечувствительности, выход которого подключен к третьему входу сумматора 3. В устройство введены два одновибратора 9 и 10, последовательно включенные генератор счетных импульсов 11 и логический элемент «2И» 12. Вход первого одновибратора 9 соединен с выходом ключевого элемента 6. В устройстве последовательно включены суммирующий счетчик 13, регистр памяти (D-вход) 14 и цифровой компаратор 15. Ко второму входу цифрового компаратора 15 подключен источник двоичного сигнала 16. Выход первого одновибратора 9 подключен ко входу элемента задержки 17, выход которого соединен с R-входом суммирующего счетчика 13. С-вход суммирующего счетчика 13 подключен к выходу логического элемента «2И» 12. К выходам суммирующего счетчика 13 подключены входы логического элемента «nИ-НЕ» 18, выход которого подключен ко второму входу логического элемента «2И» 12. Вход второго одновибратора 10 подключен к выходу логического элемента «nИ-НЕ» 18. Выход второго одновибратора 10 подключен на вход логического элемента «2ИЛИ» 19, выход которого подключен к С-входу регистра памяти 14. Второй вход логического элемента «2ИЛИ» 19 подключен к выходу первого одновибратора 9. Выход цифрового компаратора 15 подключен к выходной клемме 20 устройства.
Принцип работы устройства следующий.
вх
Элементы 2, 3, 4, 5, 7, 8 в совокупности образуют автоколебательную систему, коэффициент пропорционального усиления которой определяется соотношением параметров четырехполюсников 2, 7 и составляет на практике Кп=150-250. Автоколебательный режим во входном контуре устройства сохраняется при условии , где Х - сигнал на входной клемме 1; ±А - амплитуда выходных импульсов релейного элемента 5.
0
0
При воздействии на входную клемму 1 сигнала, пропорционального току в контролируемой цепи (фиг.2a, ), в контуре 2, 3, 4, 5, 7 происходит срыв режима автоколебаний, когда амплитуда выходного сигнала этого контура ограничивается на уровне ±Y зоны нечувствительности нелинейного звена 8 (фиг.2а). Это позволяет исключить режим насыщения операционного усилителя интегратора 4 и повысить скорость входа элементов 2, 3, 4, 5, 7 в режим автоколебаний при соблюдении условия , которое наступает, например, в момент времени t (фиг.2а). После этого выходной сигнал интегратора 4 «входит» в зону, ограниченную порогами переключения ±b релейного элемента 5 (фиг.2б).
Период автоколебаний определяется из соотношения
и
вх
G
0
где  - нормированное значение порогов переключения релейного элемента 5; Т - постоянная времени интегратора 4;  - нормированное значение входного сигнала. При уменьшении X до нулевого значения период следования импульсов на выходе релейного элемента 5 становится минимальным и соответствует числу  - период счетных импульсов с выхода генератора 11, причем Т<<Т.
01
При изменении знака входного сигнала - на входной клемме 1 (фиг.2а, б, момент времени t) вновь происходит «насыщение» интегратора 4 и срыв автоколебательного режима во входном контуре устройства, образованном элементами 2, 3, 4, 5, 7, 8.
В режиме автоколебаний датчик нулевого тока работает следующим образом (фиг.2в-и).
0
0
MIN
MIN
0
Первый одновибратор 9 формирует импульсы малой длительности синхронно с передним фронтом выходного сигнала ключевого элемента 6 (фиг.2г, д), который преобразует биполярные импульсы с выхода релейного элемента 5 (фиг.2в) в однополярный сигнал, осуществляя тем самым согласование выхода релейного элемента 5 с элементами цифровой электроники. С момента возникновения режима автоколебаний в суммирующем счетчике 13 накапливается число N(t) (фиг.2е). При возникновении равенства N(t)=N на выходе логического элемента «nИ-НЕ» 18 формируется логический «0» и счет прекращается. Одновременно с этим запускается второй одновибратор 10 (логическим «0» с логического элемента «nИ-НЕ») (фиг.2и) и данные из суммирующего счетчика 13 переносятся в регистр памяти 14. Учитывая, что N>N, где N задается источником 16 двоичного сигнала, цифровой компаратор 15 сохраняет на выходе логический «0». Периодический запуск первого одновибратора 9 (фиг.2д) (выходным сигналом ключевого элемента 6) дублирует перенос числа N в регистр памяти 14. С задержкой времени τ, формируемой элементом задержки 17 (фиг.2ж), происходит «обнуление» суммирующего счетчика 13 (фиг.2е). Логический элемент «nИ-НЕ» переключается в «1» и процесс счета повторяется.
0
MIN
02
В случае установления на выходе релейного элемента 5 скважности импульсов 0,5 (нулевое значение входного сигнала на входной клемме 1) (фиг.2в, г) число в суммирующем счетчике 13 к приходу очередного импульса с выхода первого одновибратора 9 оказывается меньше N и находится на уровне N (фиг.2е, момент времени t). В результате цифровой компаратор 15 после переноса данных в регистр памяти 14 переключается в «1», что свидетельствует о нулевом значении тока в контролируемой цепи.
0
0
Если автоколебательная система снова переходит в статический режим (фиг.3а), то код в суммирующем счетчике 13 достигает уровня N (фиг.3в). Под действием выходного импульса с выхода второго одновибратора 10 (фиг.3в) данные переносятся в регистр памяти 14, а цифровой компаратор 15 формирует сигнал логического «0» (фиг.3г). При этом счет прекращается, так как состояние N в суммирующем счетчике 13 обеспечивает статический «0» на выходе логического элемента «И-НЕ» 18, блокируя прохождение счетных импульсов с выхода генератора 11 на С-вход суммирующего счетчика 13.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- предлагаемый датчик нулевого тока относится к классу систем с двойным интегрированием, что повышает степень его помехоустойчивости как к внешним, так и внутренним помехам (первый канал интегрирования - интегратор 4, второй - суммирующий счетчик 13);
- в устройстве отсутствует пропорционально-дифференцирующий канал передачи данных, что также повышает помехоустойчивость устройства;
MIN
- повышенная точность датчика обусловлена цифровым алгоритмом фиксации значения N, что позволяет увеличить быстродействие процесса обнаружения «нулевого тока» в контролируемой цепи;
- сохранение статического состояния счетной схемы в периоды срыва автоколебательного процесса во входном контуре датчика уменьшает вероятность самопроизвольного перехода цифрового компаратора 15 в состояние «1» под действием внешних помех.
Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется повышенной точностью и помехоустойчивостью.