CC BY
31
УДК 62-83: 621.314.632 ББК З291.074:З852.3
Г.П. ОХОТКИН
СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ САР ТОКА ПРИ ДИАГОНАЛЬНОЙ КОММУТАЦИИ С ПООЧЕРЕДНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ КЛЮЧЕЙ МОСТОВОЙ СХЕМЫ ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Ключевые слова: релейная система автоматического регулирования (САР) тока, законы коммутации транзисторных ключей, вентильный преобразователь (ВП), синтез систем автоматического регулирования.
Разработана методика синтеза логического устройства релейной системы автоматического регулирования тока при диагональной коммутации с поочередным переключением ключей мостовой схемы вентильного преобразователя, которая состоит из методики синтеза логического устройства релейной САР тока при диагональной коммутации ключей с переключением верхнего транзистора моста и методики синтеза схемы, обеспечивающей смену очередности переключения ключей. Структурная схема смены очередности переключения ключей представлена в виде двух четырехканальных ключей, реализованных на логических элементах, и блока управления ключами, выполненного на основе счетчика по mod2 на Т-тригге-ре. В ходе синтеза логического устройства получена схема, содержащая минимальное количество логических элементов и элементов памяти.
Благодаря простоте и надежности система автоматического регулирования (САР) тока, состоящая из релейного регулятора тока (РРТ), логического устройства (ЛУ), силовой схемы полупроводникового преобразователя электроэнергии - вентильного преобразователя (ВП), якорной или статорной цепи электродвигателя и датчика тока (ДТ), находит широкое применение в регулируемых электроприводах (РЭП) переменного и постоянного токов. Обеспечение максимального быстродействия РЭП является важной задачей при управлении высокодинамичными объектами. Динамические свойства САР тока определяют динамические показатели электропривода в целом, поэтому синтез САР тока на предельное быстродействие является актуальной задачей.
САР тока относится к нелинейным дискретным системам (кусочно-сшитым системам), синтез которых является сложной задачей, состоящей из нескольких этапов. На первом этапе разрабатывается математическая модель закона коммутации ключей мостовой схемы вентильного преобразователя. Существует множество различных законов коммутации транзисторных ключей моста (рис. 1, а). В работе [1] проведен анализ законов коммутации ключей мостовой схемы импульсного преобразователя. При диагональной коммутации с поочередным переключением ключей управляющие импульсы подаются в противофазе и поочередно на транзисторы диагонали моста (рис. 1, б). Например, на первом интервале дискретности управляющим является транзистор УТ1 при постоянно открытом УТ4, а на втором интервале дискретности наоборот - управляющим является транзистор УТ4 при открытом УТ1. Далее процесс поочередного управления транзисторами циклически повторяется. В результате этого суммарные потери мощности как на переключение транзисторов (динамические), так и статические потери мощности равномерно распределяются между транзисторами. При диагональной коммутации с поочередным переключением ключей схема, представленная на рис. 1, а, может работать в режимах непрерывного (рис. 1, б) и преры-
вистого токов (рис. 1, в). Однако релейная САР тока при диагональной коммутации ключей ВП работать в режиме прерывистого тока не может из-за имеющейся зоны нечувствительности релейного регулятора тока. Это ограничивает диапазон регулирования тока якоря ДПТ.
В работе [2] разработана математическая модель диагонального закона коммутации ключей с переключением верхнего транзистора мостовой схемы вентильного преобразователя. Модель представлена в виде таблицы переходов и выходов, а также в виде граф-схемы автомата. Математическая модель при диагональной коммутации с поочередным переключением ключей мостовой схемы вентильного преобразователя аналогична модели при диагональной коммутации с переключением верхнего транзистора моста.
На втором этапе осуществляется структурный синтез релейных регуляторов тока. В работе [3] разработана методика синтеза релейного регулятора САР тока при диагональной коммутации с переключением верхних транзисторов мостовой схемы вентильного преобразователя. Структурная схема САР тока, представленная на рис. 2, включает в себя: релейный регулятор тока, состоящий из трех релейных элементов РЭ1-РЭ3, включенных в состав блока релейных элементов (БРЭ); релейный элемент РЭ4, задающий направление вращения двигателя постоянного тока (ДПТ); логическое устройство (ЛУ); ВП, выполненный по мостовой схеме на четырех транзисторах УТ1-УТ4 и обратных диодах У01-У04; двигатель постоянного тока независимого возбуждения (М) и датчик тока (ДТ).
Рис. 1. Мостовая схема ВП и временные диаграммы работы
РЭ1
£
та
Црз4
ЛУ
1/Т1 I
Ч
Рис. 2. Структурная схема САР тока
Структурная схема релейного регулятора тока при диагональной коммутации с поочередным переключением ключей мостовой схемы вентильного преобразователя аналогична структурной схеме регулятора при диагональной коммутации с переключением верхнего транзистора моста. Поэтому структурная схема САР тока при диагональной коммутации с поочередным переключением ключей моста проектируется на основе схемы, представленной на рис. 2.
На третьем этапе производится структурный синтез логического устройства САР тока. В работе [4] разработана методика синтеза логического устройства САР тока при диагональной коммутации ключей с переключением верхнего транзистора моста. В ходе синтеза структурного автомата получена минимизированная схема логического устройства, представленная на рис. 3. Схема автомата состоит из двух частей: элементов памяти (КЯ-триггеров) и комбинационной схемы, состоящей из инверторов и логических элементов И с тремя и двумя входами. КЯ-триггеры содержат прямой и инверсный выходы, что позволяет в схеме ЛУ сократить число инверторов.
В литературе вопросы проектирования логического устройства САР тока с диагональным поочередным переключением ключей мостовой схемы ВП не рассмотрены, поэтому синтез ЛУ САР тока является актуальной задачей.
Целью данной работы является синтез ЛУ релейной САР тока с диагональным поочередным переключением ключей мостовой схемы ВП.
Поставленная задача может быть решена введением схемы, обеспечивающей смены очередности переключения ключей вентильного преобразователя, между схемой логического устройства (рис. 2) и ключами ВП. При этом схема ЛУ (рис. 3) синтезированная для диагональной коммутации ключей ВП, остается неизменной и может быть использована для диагональной поочередной коммутации ключей ВП. Такой подход при решении поставленной задачи позволяет полностью воспользоваться методикой синтеза ЛУ при диагональной коммутации ключей ВП [4] и требует разработки методики синтеза схемы смены очередности включения ключей ВП.
Для синтеза схемы, обеспечивающей смены очередности переключения ключей ВП, представим ее структурную схему в виде двух четырехканальных ключей и схемы управления ключами. Четырехканальные ключи обеспечивают поочередную подачу управляющих импульсов, сформированных ЛУ, на транзисторы УТ1 - УТ4 мостовой схемы ВП. При диагональной коммутации с поочередным переключением ключей управляющие импульсы на транзисторы ВП подаются по следующему алгоритму: для направления вращения «Вперед» - на первом интервале дискретности отпирающий импульс управления подается на УТ1 при открытом УТ4, а на втором интервале дискретности - на УТ4 при открытом УТ1. Далее процесс поочередной подачи импульсов управления на транзисторы УТ1 и УТ4 циклически повторяется. При вращении ДПТ «Назад» - на первом интервале дискретности отпирающий импульс управления подается на
^Э2 0--
Црэз^. Црэ.
К
я <
иБЭ1
иБЭ2
ЦБЭЗ ЦбЭ4
Рис. 3. Схема логического устройства
иЭП1
и
&
&
и
&
&
транзистор УТ2 при открытом УТ3, а на втором интервале дискретности на УТ3 при открытом УТ2. Такой алгоритм поочередного переключения ключей математически может быть описан уравнениями:
Цук , V = иук V ибэзЦу
Уа = ибэ 4иук V ибэ1 иу
У\ — U53iUуК V Uбэ41
Уз — UбэзиуК V Uбэ2 Uук
7 ук v ' у бэ4w ук - ' 2 ^ бэ2^ ук v w бэз w ук ;
У4 — Uбэ4Uук V Uбэ1 Uук ,
где Ufe1-Ufe4 - сигналы, формируемые ЛУ; Uук - сигнал, формируемый схемой управления ключами.
Схемы управления ключами на первом интервале дискретности формирует сигнал U^ = 1, на втором - U^ = 0, на третьем - U^ = 1 и т.д.
Период следования импульсов управления верхними транзисторами Ug^ и Ufo2 при диагональной коммутации ключей соответствует интервалу дискретности ВП. Поэтому формирование сигнала Uук проще всего выполнить с использованием сигналов U^i и Ufo2. Так, для направления вращения ДПТ «Вперед» алгоритм формирования управляющих импульсов Uук может быть представлен в виде U^ = U^i для нечетных интервалов дискретности и U^ — Uбэ1
для четных интервалов дискретности. Отсюда следует, что частота следования импульсов U^ в два раза меньше частоты следования импульсов U^i. Простейшим устройством, осуществляющим эту операцию, является счетчик по mod 2, выполненный на Г-триггере. Исходя из вышесказанного, алгоритм формирования сигнала Uук математически может быть представлено в виде
Uf — Uf
бэ1 V U бэ2 , U ук — U ук © Uf, (2)
где Uf - тактовый сигнал Г-триггера; U^ - выходной сигнал Г-триггера до изменения состояния, Uук - выходной сигнал Г-триггера после изменения состояния.
Действительно, из (2) следует, что при значении информационного сигнала Г-триггера T = 1 и Uf = 1 следующее состояние Г-триггера Uук — U^ , т.е. состояния триггера 0 и 1 циклически изменяются при каждом изменении тактового сигнала Uf с 1 на 0.
По выражениям (1) и (2) разработана логическая схема смены очередности включения ключей ВП (рис. 4). Схема состоит из двух четерехканаль-ных ключей, выполненных на восьми элементах 2И (AND1 -AND8) и четырех элементах 2ИЛИ (OR2 - OR5), и блока управления ключами, выполненного на элементе 2И (OR1), Г-триггере (TTR) и инверторе (INV). На информационный вход T-триггера подается сигнал T = 1. При этом схема Г-триггера работает в режиме Рис. 4. Схема смены очередности простейшего счетчика по
включения ключей
mod 2. Разработанная схема смены очередности включения ключей ВП содержит минимальное количество логических элементов и один элемент памяти.
Выводы. 1. В работе разработана методика синтеза логического устройства и схемы смены очередности включения ключей ВП САР тока при диагональной коммутации с поочередным переключением ключей.
2. В ходе синтеза получена схема, содержащая минимальное количество логических элементов и элементов памяти.
Литература
1. Охоткин Г.П., Романова Е.С. Анализ законов коммутации ключей мостовой схемы импульсного преобразователя // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 142-149.
2. Охоткин Г.П., Романова Е.С. Разработка математической модели диагонального закона коммутации ключей с переключением верхнего транзистора мостовой схемы преобразователя // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы IX Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. С. 77-86.
3. Охоткин Г.П. Разработка методики синтеза релейных регуляторов САР тока при симметричной и диагональной коммутациях транзисторов ВП // Вестник Чувашского университета. 2014. № 2. С. 66-74.
4. Охоткин Г.П. Разработка методики синтеза дискретного логического управляющего устройства САР тока // Вестник Чувашского университета. 2014. № 2. С. 74-83.
ОХОТКИН ГРИГОРИЙ ПЕТРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, декан факультета радиоэлектроники и автоматики, заведующий кафедрой автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (elius@list.ru).
G. OKHOTKIN
THE SYNTHESIS OF LOGICAL DEVICES OF RELAY SYSTEMS OF AUTOMATIC CURRENT REGULATION WHEN DIAGONAL SWITCHING WITH ALTERNATE SWITCHING KEYS THE BRIDGE CIRCUIT RECTIFIER CONVERTER
Key words: relay .systems of automatic control current, switching laws of the transistor keys, valve motor drive, synthesis of automatic control systems.
The developed method of synthesis of logical devices of relay systems of automatic current regulation while diagonal switching with alternate switching keys the bridge circuit rectifier Converter, which consists of methods of synthesis of logical devices of relay SAC current when the diagonal switching of the key switches of the upper bridge transistor and methods of synthesis scheme provides a change to the sequence switching keys. Structural diagram of the shift sequence of the shift keys is presented in the form of two four-channel keys, implemented on the logical elements, and the control unit keys made on the basis of the counter by mod2 on the T-trigger. In the course of synthesis of logical devices obtained by the circuit containing the minimum number of logic elements and memory elements.
References
1. Okhotkin G.P., Romanova E.S. Analiz zakonov kommutatsii klyuchei mostovoi skhemy im-pul'snogo preobrazovatelya [Analysis of switching laws for pulse converter bridge keys]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2012, no. 3, pp. 142-149.
2. Okhotkin G.P., Romanova E.S. Razrabotka matematicheskoi modeli diagonal'nogo zakona kommutatsii klyuchei s pereklyucheniem verkhnego tranzistora mostovoi skhemy preobrazovatelya [Developing a mathematical model of diagonal switching law for keys with the inverter bridge upper transistors switched]. Informatsionnye tekhnologii v elektrotekhnike i elektroenergetike: materialy IX
Vseros. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of 9th Rus. Sci. Conf. «Information technology in electric and electric power engineering»]. Cheboksary, Chuvash University Publ., 2014, pp. 77-86.
3. Okhotkin G.P. Razrabotka metodiki sinteza releinykh regulyatorov SAR toka pri simmetrich-noi i diagonal'noi kommutatsiyakh tranzistorov VP [Developing techniques for synthesizing relay regulators of automatic current control system with symmetric and diagonal switching of valve inverter transistors]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2014, no. 2, pp. 66-74.
4. Okhotkin G.P. Razrabotka metodiki sinteza diskretnogo logicheskogo upravlyayushchego us-troistva SAR toka [Developing synthesis technics for discrete logic control unit of automatic current control system]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2014, no. 2, pp. 74-83.
OKHOTKIN GRIGORY - Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of the Faculty of Radioelectronics and Automatics, Head of Department of Automation and Management in Technical Systems, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
Ссылка на статью: Охоткин Г.П. Синтез логического устройства релейной САР тока при диагональной коммутации с поочередным переключением ключей мостовой схемы вентильного преобразователя // Вестник Чувашского университета. - 2016. - № 1. - С. 65-70.
