МНОГОЗОННЫЙ АНАЛОГО-ДИСКРЕТНЫЙ ДАТЧИК ТОКА
MULTI-ZONE ANALOGUE-DISCRETE CURRENT SENSOR

Устройство относится к области частотно-широтно-импульсных преобразователей аналоговых сигналов, может выполнять, например, функции датчика тока (напряжения) с аналоговым и дискретными выходами и использоваться при автоматизации технологических процессов.
Известен датчик тока/напряжения компараторного типа (Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие. - Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1989. - 320 с.). Устройство предназначено для использования в вентильных преобразователях в качестве датчика нулевого тока. Его гистерезисная характеристика 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. Для преобразования биполярного выходного сигнала усилителя в однополярный служит транзисторный каскад. Формирование фронтов выходных импульсов устройства и его согласование с последующими логическими схемами управления осуществляется с помощью инвертора.
Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам, что характерно для компараторных устройств в целом. Включение дополнительных фильтров на информационном входе датчика 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. Кроме того, известное устройство не может функционировать в качестве аналогового датчика тока или напряжения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многозонный развертывающий преобразователь (МРП) (SU №1183988, МПК G06G 7/12, заявл. 27.04.84 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.
Однако известное техническое решение обладает ограниченными функциональными возможностями, так как предназначено только для аналогового преобразования входной координаты и не может одновременно использоваться в качестве «нуль-органа» (датчика нулевого тока) и компаратора с заранее заданным ненулевым значением порога срабатывания.
Выполнение этих функций может быть достигнуто путем включения на выходе МРП сглаживающего фильтра и компараторов. Однако такое решение не позволяет получить высокой точности реализации требуемых функций преобразования входного сигнала в дискретные значения.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы МРП при реализации на его основе многофункционального устройства с аналоговым и дискретным преобразованием входного воздействия.
Предлагаемый многозонный аналого-дискретный датчик тока содержит последовательно включенные источник входного сигнала (входная клемма устройства), первый сумматор, интегратор, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных элементов, где n≥3… - нечетное число, выходы релейных элементов соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого подключен к первой выходной клемме устройства и соединен со вторым входом первого сумматора, и характеризуется тем, что в него введены первый и второй операторные четырехполюсники, группа ключевых элементов, равная числу n релейных элементов, генератор импульсов, одновибратор, первый и второй логические элементы «НЕ», первый и второй логические элементы «3И», элемент задержки, первый и второй двоичные счетчики, первый и второй регистры памяти, арифметическо-логическое устройство, выполняющее операцию сравнения кодов, подсчета количества сигналов «0» и «1», а также функцию «Запрет» при неравенстве количества сигналов «0» и «1», логический элемент «2И», причем первый операторный четырехполюсник подключен между источником входного сигнала и первым сумматором, выход каждого релейного элемента подключен ко входу соответствующего ключевого элемента, второй операторный четырехполюсник подключен между выходом второго сумматора и вторым входом первого сумматора, выход первого ключевого элемента соединен с первым входом первого логического элемента «3И», с входом первого логического элемента «НЕ» и с входом одновибратора, выход первого логического элемента «НЕ» соединен с первым входом второго логического элемента «3И», выход генератора импульсов подключен ко второму входу первого логического элемента «3И» и ко второму входу второго логического элемента «3И», выход одновибратора соединен с входом второго логического элемента «НЕ», входом элемента задержки и с входами записи первого и второго регистра памяти, выход второго логического элемента «НЕ» подключен к третьему входу первого логического элемента «3И» и к третьему входу второго логического элемента «3И», выход первого и выход второго логического элемента «3И» подключены к счетному входу первого двоичного счетчика и к счетному входу второго двоичного счетчика соответственно, выходы первого и второго двоичного счетчика соединены с входами данных первого и второго регистров памяти соответственно, выход элемента задержки подключен к входу сброса данных и первого, и второго двоичного счетчика соответственно, и к соответствующему входу арифметическо-логического устройства, выходы группы ключевых элементов, начиная со второго и заканчивая n-ым, а также выходы регистров памяти подключены к соответствующим входам арифметическо-логического устройства, первый выход которого подключен ко второй выходной клемме устройства и к первому входу логического элемента «2И», второй вход которого соединен со вторым выходом арифметическо-логического устройства, а выход логического элемента «2И» подключен к третьей выходной клемме устройства.
Особенностью предлагаемого устройства является его повышенная точность работы.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что первый и второй операторный четырехполюсники, первый и второй сумматоры, интегратор, группа релейных элементов, а также группа ключевых элементов в совокупности образуют многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (МРП), который обладает высокой помехоустойчивостью и точностью работы.
Введение в многозонный аналого-дискретный датчик тока новых элементов и функциональных связей между ними, в соответствии с формулой изобретения, позволяет:
- обеспечить высокую точность и помехоустойчивость процесса фиксации нулевого значения «входного/выходного (среднее значение импульсов)» сигнала многозонного датчика тока, что происходит путем сравнения длительностей выходных импульсов положительной и отрицательной полярности;
- получить высокую точность преобразования входного сигнала в дискретный сигнал при заданном ненулевом пороговом уровне формирования этого дискретного сигнала, которая не зависит от величины порогов переключения релейных элементов МРП, а всецело определяется границами раздела модуляционных зон, зависящими только от параметров внешних операторных цепей многозонного датчика тока;
- исключить возможность появления на выходе устройства ложных сигналов «1», фиксирующего нулевое значение входной координаты многозонного аналого-дискретного датчика тока.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - дана структура предлагаемого устройства;
Фиг.2 - приведены характеристики элементов предлагаемого многозонного аналого-дискретного датчика тока;
Фиг.3, 4, 5 - даны диаграммы сигналов предлагаемого устройства;
В состав устройства (фиг.1) входят первый 1 и второй 2 операторные четырехполюсники, первый 3 и второй 4 сумматоры, интегратор 5, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных элементов 6-1…6-n. Выход первого операторного четырехполюсника 1 подключен к входу первого сумматора 3. Второй операторный четырехполюсник 2 подключен между выходом второго сумматора 4 и вторым входом первого сумматора 3. Выходы релейных элементов 6-1…6-n подключены к соответствующим входам второго сумматора 4, а также соединены с входами соответствующих ключевых элементов 7-1…7-n. Блоки 1, 2, 3, 4, 5, 6-1…6-n и 7-1…7-n в совокупности образуют МРП 8. Вход первого операторного четырехполюсника 1 подключен к входной клемме устройства 9, к которой подключен источник входного сигнала. Выход второго сумматора 4 подключен к первой выходной клемме устройства 10. Выход первого ключевого элемента 7-1 соединен с входом одновибратора 11, с входом первого логического элемента «НЕ» 12 и с первым входом первого логического элемента «3И» 13. Выход первого логического элемента «НЕ» 12 соединен с первым входом второго логического элемента «3И» 14. Выход генератора импульсов 15 подключен ко второму входу первого логического элемента «3И» 13 и второго логического элемента «3И» 14. Выход одновибратора 11 соединен с входом второго логического элемента «НЕ» 16, входом элемента задержки 17 и с входами записи первого регистра памяти 18 и второго регистра памяти 19. Выход второго логического элемента «НЕ» 16 подключен к третьему входу первого логического элемента «3И» 13 и второго логического элемента «3И» 14. Выход первого логического элемента «3И» 13 и второго логического элемента «3И» 14 подключен к счетному входу первого двоичного счетчика 20 и второго двоичного счетчика 21 соответственно. Выходы первого двоичного счетчика 20 и второго двоичного счетчика 21 соединены с входами данных первого регистра памяти 18 и второго регистра памяти 19 соответственно. Выход элемента задержки 17 подключен к входу сброса данных первого двоичного счетчика 20 и второго двоичного счетчика 21 соответственно и к соответствующему входу арифметическо-логического устройства 22. Выходы группы ключевых элементов, начиная со второго 7-2…7-n, а также выходы регистров памяти 18 и 19 подключены к соответствующим входам арифметическо-логического устройства (АЛУ) 22. Первый выход АЛУ 22 соединен с первым входом логического элемента «2И» 23. Второй выход АЛУ 22 подключен ко второму входу логического элемента «2И» 23 и ко второй выходной клемме устройства 24. Выход логического элемента «2И» 23 подключен к третьей выходной клемме устройства 25. «Выход 1» (клемма 10) - аналоговый, «выход 2» (клемма 24) - дискретный (пороговый), «выход 3» (клемма 25) - индикация нулевого значения входного/выходного сигнала.
Элементы аналого-дискретного датчика тока имеют следующие характеристики.
п
Операторные четырехполюсники 1, 2 в рамках поставленной задачи представляют собой пропорциональные звенья с коэффициентами передачи К1 и К2 соответственно. С их помощью задается требуемый коэффициент пропорционального усиления КМРП 8.
Сумматоры 3, 4 выполнены с равными коэффициентами передачи по каждому из входов. В дальнейшем считаем, что эти коэффициенты передачи равны 1,0.
и
Интегратор 5 реализован с передаточной функцией вида W(p)=1/Тр,
и
где Т - постоянная времени. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала (фиг.2 а).
Релейные элементы 6-1…6-n имеют симметричную петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию
1
2
3
n
|±b|<|±b|<|±b|<…<|±b|,
i
где ±b - пороги переключения соответствующего из релейных элементов 6-1…6-n; n≥3 - нечетное число. Выходной сигнал релейных элементов 6-1…6-n меняется дискретно в пределах ±А/n (фиг.2 б). В дальнейшем при рассмотрении принципа действия МРП 8 принимаем n=3.
Ключевые элементы 7-1…7-n имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения, предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы (фиг.2 в) и выполняют функции повторителей с таблицей истинности
Вход
Выход
А/n
1
-А/n
0
где ±А - максимальное значение выходного сигнала МРП 8.
Первый 12 и второй 16 логические элементы «НЕ» реализуют таблицу истинности вида
Вход
Выход
1
0
0
1
Генератор импульсов 15 формирует непрерывный поток импульсов заданной длительности, периода и амплитуды.
Сигнал на выходе одновибратора 11 представляет собой короткие импульсы заданной длительности и фиксированной амплитуды. Запуск производится передним фронтом сигнала с выхода ключевого элемента 7-1 (фиг.2 г).
Первый 13 и второй 14 логические элементы «3И» имеют таблицу истинности
Вход 1
Вход 2
Вход 3
Выход
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
Элемент задержки 17 сдвигает входной сигнал на заданный интервал времени, сохраняя его форму (фиг.2д).
Двоичные счетчики 20, 21 производят счет импульсов с выхода генератора импульсов 15. Сброс двоичных счетчиков 20, 21 осуществляется передним фронтом импульса с выхода элемента задержки 17.
Регистры памяти 18, 19 производят запись данных из двоичных счетчиков 20, 21 синхронно с передним фронтом сигнала с выхода одновибратора 11.
АЛУ 22 осуществляет подсчет «1» и «0» с выходов ключевых элементов 7-2…7-n и формирование на выходной клемме 24 сигнала «1» в случае равенства числа «1» и «0». АЛУ 22 осуществляет также операцию «Запрет» на появление сигнала «1» на выходной клемме 25 в случае, когда на выходе ключевых элементов 7-2…7-n выполняется неравенство числа «1»≠«0». Кроме того, АЛУ 22 производит сравнение кодов, содержащихся в регистрах памяти 18, 19 и формирование на выходной клемме 25 сигнала «1» в случае равенства этих кодов.
Логический элемент 23 функции «2И» реализует зависимость типа
Вход 1
Вход 2
Выход
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
На диаграммах сигналов приняты следующие обозначения:
вх
Х - входной сигнал (входная клемма 9 устройства);
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 5;
P1
P2
P3
Y, Y(t), Y(t) - выходные сигналы релейных элементов 6-1…6-3 соответственно;
вых
Y(t) - выходной сигнал сумматора 4;
0
Y - среднее значение выходных импульсов сумматора 4;
1
2
N, N - числа в двоичных счетчиках 20 и 21 соответственно.
Принцип работы устройства следующий.
п
Коэффициент передачи МРП 8, в состав которого входят блоки 1, 2, 3, 4, 5, 6-1…6-n, 7-1…7-n со стороны информационного входа (входная клемма 9 устройства) задается операторными четырехполюсниками 1 и 2. При реализации на основе МРП 8 многозонного аналого-дискретного датчика нулевого тока К может достигать уровня 150-200. Статическая характеристика МРП 8 имеет линейный и инвертирующий характер (фиг.2 е).
В дальнейшем считаем, что изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования. Полагаем также, что число релейных элементов n=3.
вх
и
01
02
и
При включении МРП 8 и нулевом входном сигнале Х релейные элементы 6-1…6-3 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.3в-д). Под действием сигнала развертки Y(t) с выхода интегратора 5 (фиг.3 б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 релейных элементов 6-1 и 6-2 (фиг.2в, г, моменты времени t, t), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Y(t) на выходе интегратора 5 (фиг.3б) нарастает в положительном направлении.
и
1
и
Р2
P3
вых
Начиная с момента времени выполнения условия Y(t)=b МРП 8 входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y(t) ограничена зоной неоднозначности первого релейного элемента 6-1, а релейные элементы 6-2 и 6-3 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналах Y(t), Y(t) состояниях (фиг.3г, д). Координата Y(t) на выходе сумматора 4 (первая выходная клемма 10 устройства) формируется за счет переключений релейного элемента 6-1 (фиг.3в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.3е).
вх
0
0
вых
вх
вых
1
и
2
и
0
вх
При отсутствии Х (фиг.3a, t<t) среднее значение Y импульсов Y(t) равно нулю. Наличие входной координаты Х<(А/3) (фиг.3а, ) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y(t), так как в интервале t(фиг.3в) развертка Y(t) интегратора 5 (фиг.3б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на первый сумматор 3 (фиг.3а, е), а в интервале t-dY(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y=Х (фиг.3е).
вх
вх
03
вых
1
2
и
0
выx
вх
Предположим, что в момент времени  сигнал Х увеличился дискретно до величины (А/3)<X<А (фиг.3а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП 8 переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 6-2 и 6-3, который заканчивается в момент времени t, когда релейный элемент 6-3 переключается в положение - А/3 (фиг.3д). Координата Y(t) достигает уровня - А (фиг.3е), и МРП 8 переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t, t (фиг.3в) скорость формирования развертывающей функции Y(t) (фиг.3б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на первый сумматор 3 (Фиг.1). При этом сигнал Y включает постоянную составляющую - А/3 первой и среднее значение импульсного потока Y(t) второй модуляционных зон (фиг.3е). Переход МРП 8 из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты Х сопровождается переходом устройства через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
ВХ
П
Дi
П
Дi
П
Величина допустимого для каждой из модуляционных зон входного сигнала Х, при котором в устройстве сохраняется автоколебательный режим, определяется числом релейных элементов 6-1…6-n и К. Например, для первой модуляционной зоны максимально допустимый входной сигнал составит |Х|=|А/(n·К)|, а для второй - |Х|=А/К| (фиг.4а).
Рассмотрим поведение МРП 8 при последовательном прохождении входным сигналом модуляционных зон (фиг. 4).
ВХ
Дi
П
При |Х|≤(|Х|=|А/(n·К)|) (фиг.4а) автоколебания сохраняются в тракте релейного элемента 6-1 (фиг.4 б), а релейные элементы 6-2 и 6-3 находятся в противоположных по знаку выходного сигнала состояниях (фиг.4в, г). Таким образом, на выходе ключевых элементов 7-2…7-3 количество «нулей» и «единиц» равно между собой (фиг.4в, г, е). Если АЛУ 22 запрограммировано на фиксацию порогового уровня, равного границе первой модуляционной зоны, то на второй выходной клемме 24 устройства присутствует «1» (фиг.4ж).
01
02
На интервале t≤t≤t (фиг.4а) работа МРП 8 соответствует второй модуляционной зоне, когда Z>k (фиг.4в, г, е), поэтому на второй выходной клемме 24 устройства присутствует «0» (фиг.4ж).
02
При t>t (фиг.4а) МРП 8 находится в состоянии насыщения, при котором выходные сигналы релейных элементов 6-1…6-3 имеют одинаковый знак (фиг.4б-г), поэтому на второй выходной клемме 24 устройства сохраняется состояние «0».
Рассмотрим выход МРП 8 из состояния насыщения (фиг.5).
01
02
02
На интервале t≤t≤t(фиг.5а) в МРП 8 вновь возникает режим автоколебаний (фиг.5б, д). При входе устройства в первую модуляционную зону (фиг.5а, момент времени t) Z=k (фиг.5в, г, е), что фиксируется АЛУ 22 формированием сигнала «1» на второй выходной клемме 24 устройства.
Таким образом, с помощью АЛУ 22 можно задать требуемый пороговый уровень срабатывания, который совпадает с границей раздела соответствующей модуляционной зоны МРП 8. При этом этот порог формирования «1» не зависит от стабильности порогов переключения релейных элементов 6-1…6-n МРП 8, а определяется только их числом и коэффициентом передачи МРП 8. Кроме того, наличие интегратора 5 в прямом канале преобразования существенно повышает помехоустойчивость работы устройства.
03
вх
1
2
В момент времени t (фиг.5а), когда Х=0, среднее значение выходных импульсов МРП 8 равно нулю (фиг.5б, д), при котором наступает равенство t=t (фиг.5б).
1
1
В интервале t открыт первый логический элемент «3И» 13, и выходные импульсы с выхода генератора импульсов 15 поступают на счетный вход первого двоичного счетчика 20, в котором накапливается двоичное число N (фиг.5 ж). Второй логический элемент «3И» 14 закрыт для счетных импульсов выходным сигналом логического элемента «НЕ» 12.
2
На интервале t (фиг.5б) счетные импульсы с выхода генератора импульсов 15 через второй логический элемент «3И» 14 поступают на вход второго двоичного счетчика 21 (фиг.5з). Первый логический элемент «3И» 13 закрыт сигналом «0» с выхода ключевого элемента 7-1.
1
2
1
2
1
2
1
2
При формировании переднего фронта импульса на выходе релейного элемента 6-1 (фиг.5б) запускается одновибратор 11 (фиг.5и), и данные из двоичных счетчиков 20, 21 переносятся в регистры памяти 18 и 19 соответственно. При этом логические элементы «3И» 13 и 14 закрыты выходным сигналом второго логического элемента «НЕ» 16. Затем с задержкой по времени (фиг.5к) происходит «обнуление» двоичных счетчиков 20, 21 (фиг.5ж, з, к), а в течение длительности выходного импульса элемента задержки 17 в АЛУ 22 осуществляется проверка условия N=N, при выполнении которого на третьей выходной клемме устройства 25 формируется «1» (фиг.5м). Допустимая погрешность определения равенства N=N устанавливается, как правило, на уровне младшего разряда. Следует отметить, что наступление условия N=N возможно и в других модуляционных зонах МРП 8. Поэтому для исключения ситуаций неоднозначности АЛУ 22 выполняет программным образом проверку условия N=N только в случае Z=k (фиг.5л). Аналогичная операция запрета появления «1» на третьей выходной клемме 25 при Z≠k может быть реализована аппаратным путем (фиг.1) за счет введения логического элемента «2И» 23, который передает сигнал «1» на третью выходную клемму 25 только при наличии «1» на второй выходной клемме 24.
вх
Таким образом, в многозонном аналого-дискретном датчике тока ликвидируется возможность появления ложной «1» на выходной клемме устройства 25. Кроме того, фиксация условия Х=0 в предлагаемом устройстве выполняется не по амплитуде входного сигнала, а по длительности выходных импульсов МРП 8, что повышает точность и помехоустойчивость устройства в целом.
Рассмотренный многозонный аналого-дискретный датчик тока предполагается использовать в системе управления регулируемым вентильным преобразователем для магистрального энергопитания группы преобразователей частоты электроприводов переменного тока на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».