Способ управления в пьезополупроводниковых преобразователях и устройство для его осуществления

Способ управления в пьезополупроводниковых преобразователях и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социаписткческмк

Реснубпик

,739500 (5l)M. Кл. (6 t ) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 29.08.77(21) 2522375/24-07 с присоединением заявки УЙ (23) Приоритет—

Опубликовано05.06.80. Бюллетень йе21

G 05 F 1/46

Веударетвваный каматвт

CCCP аа аеааи изебретеннй и аткритвй (5З ) УД 621,31 6. .722. 1(088.8) Лата опубликования описания 10.06.80 (72) Автор изобретения

А А. Ерофеев

Ленинградский ордена Ленина политехнический им. М. И. Калинина (7I ) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ В ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение Ьтносится к пьезопреобразоватепьной технике (пьеэоэлектронике), в частности к способам и устройствам управления напряжением в пьезополупроводниковых преобразователях на базе пьезоэлектрических трансформаторов (ПЭТ), и может быть использовано, например для стабилизированных источников питания устройств радиоэлектронной аппаратуры.

Известны способы управления в пьезополупроводниковых преобразователях и то устройства для их осуществления 1) и $2).

Наиболее близким из известных технических решений является способ управления в пьезополупроводниковых преобразовате15 лях заключающийся в измерении выходного напряжения пьезотрансформатора, сравнении результата измерения с опорным сигналом, формировании аналогового сигнала управления в зависимости Dr укаэанного сравнения и воздействия на амплиту ду напряжения возбуждения пьезотрансфор,матора полученным сигналом управления

2

Недостатком известного способа является невысокая точность стабилизации.

Цель изобретения - устранение указан.ного недостатка.

Укаэанная цель достигается тем, что в способе управления в пьезополупроводниковых преобразователях, заключающемся в измерении выходного напряжения пьеэотрансформатора, сравнении результата измерения с опорным сигналом, формировании аналогового сигнала управления в зависимости or указанного сравнения и воздействия на амплитуду напряжения возбуждения пьеэогрансформатора полученным сигналом управления, предварительно воздействуют на частоту напряжения возбуждения пьезотрансформатора поисковым сигналом, запоминают(максимальное значение выходного напряжения путем сравнения выходного напряжения с опорным, формируют дискретный сигнал управления частотой, следования которого синхронизируют частоту поискового сигнала и которым воздействуют на часвием аналогового сигнала управления на амплитуду напряжения возбуждения. Причем в качестве опорного сигнала при формировании аналогового сигнала управлеж ения.

3 7 тоту напряжения возбуждения пьезотрансформатора наряду с указанным воздейстния используют результат запоминания

- максймального значения выходного напряУстройство для осуществления споссьба, содержащее пьезотрансформатор, одни обкладки которого служат для подключения выходной цепи, а другие соединены с выходом усилителя мощности, олин вход которого соединен с выходом регу лятора амплитуды, вход которого соединен с выходом узла сравнения, и датчик обратной связи, соединенный с выходной цепью, и снабжено. последовательно соединенными компаратором, ключом, управляющим триггером и интегратором, командным генератором, соединенным выходом через дифференцирующую цепочку с ключом и управляющим триггером, а входом через другую дифференцирующую цепочку с выходом компаратора, а также двумя схемами запоминания, одна из которых включена между выходом введенного первого повторйтеля и входом узла сравнения, а другая - между выходом второго введенного повторителя и входом компаратора, причем входы повторителей соединены с выходом датчика об атной связи, а выход интег аР P тора соединен со входом введенного регулятора частоты, выходом соединенного с другим входом усилителя мощности.

На фиг. 1 приведена схема стабили-. зированного пьезополупроводникового преобразователя; на фиг. 2 — временные диаграммы работы преобразователя.

Пьезополупроводниковый преобразователь содержит регулятор 1 частоты (управляемый задающий генератор) и регулятор 2 амплитуды, сигналы с выхода которых поступают на усилитель

3 мощности. Усилитель мощности нагружен на ПЭТ 4, который через выпрямитель (схему умножения) 5 с фильтром связан с нагрузкой 6. Напряжение с нагРузки Ов„х тупает. íà iiaT HK обратной связи 7 и через транзисторные повторители 8 и 9 напряжения на схемы 10 и 11 запоминания.

Схемы запоминания идентичны и выпойненй на полевых транэисторак

12 и 13, в цепь затвора которых включены диодно-емкостные запоминающие

9500 цепочки на диодах 14 и 15 и конденсаторах 16и 17 и ключи разряда на транзисторах 18 и 19. Схемы запЬминания фиксируют максимальное (экст5 ремальное) значение U»,х и запоминают его.

Выход схемы 10 запоминания и вы..ход повторителя 8 напряжения соединены со входом компаратора 20, выход кото10 рого соединен через дифференцируюшую цепочку на конденсаторе 21 и резисторе 22 и ключ 23 со входом управляющего триггера 24. Выход схемы 11 запс минания и выход повторителя 9 напряжения соединены с узлом 25 сравнения, выход которого соединен с регулятором

2 амплитуды. Выход управляющего триг гера 24 через интегратор 26 соединен с регулятором 1 частоты, а также через дифференцируюшую цепочку из конденсатора 27 и резистора 28, и диоды 29 и 30 с ключами разряда (на транзисторах 18 и 19) схем запоминания.,Нля запуска схемы служит командный генеg5 ратор 31 (на основе мультивибратора), осуществляющий также временную синхронизацию работы элементов схемы . (импульсы U, см. фиг. 2). Командный генератор 31 соединен через дифферензо цируюшую цепочку из резистора 32 и конденсатора 33 с ключом 23 и управляющим триггером 24.

Работа пьезополупроводникового преобразователя с предлагаемым способом

З адаптивного управления осуществляется следующим образом.

При действии сильных возмущений (нагрузочных, температурных, механических) у ПЭТ 4 имеет место дрейф его ампли40 тудно-частотных характеристик (АЧХ), более слабые возмущения вызывают дрейф рабочей точки по склонам АЧХ

ПЭТ. дрейф АЧХ ПЭТ сопровождается изменением положения ее экстремума (максимума Ugg))(). Например, при увеличении тока нагрузки от номинального (согласованного) режима экстремума

АЧХ перемещается влево (по оси абсцисс) и вниз (по оси ординат). Пьезополупро5О водниковый преобразователь с предлагаемым способом адаптивного управления осуществляет автоматически поиск экстремума АЧХ, непрерывное слежение за ним и стабилизацию заданного значения выходного напряжения. Запуск преобразователя производится импульсом. командного генератора 31. Первый импульс генератора 31 (0 ) является поисковым

73 (см. фиг. 2), длительность его >-> такова, чтобы обеспечить прахо>кдение рабочего диапазона изменения резонансной частоты 1 ПЭТ при действии сильных возмушений (обычно не более 5-7% от 1 ро где fp„резонансная частота ПЭТ в режиме холостого хода). От первого импульса генератора 31 ключ

23 размыкается (блокирует прохождение импульсов с компаратора 20 на вход управляющего триггера 24), управляющий триггер 24 (импульсы U фиг. 2) запускает интегратор 26. Интегратор формирует линейно-изменяющееся управ ляющее напряжение U с периодом Т> (фиг. 2). Под действием U> изменяется частота на выходе регулятора частоты

1 и, следовательно, изменяется частота

1 на входе ПЭТ. При этом напряжение на выходе преобразователя изменяется в соответствии с АЧХ ПЭТ. Схемы . запоминания 10 и 11 фиксируют за период Тп значения Ов„ х д> (конденсаторы

16 и 17, благодаря диодам 14 и 15„ фиксируют только положительные приращения Овь>х). По истечении первого импульса командного генератора 31 (времени Тп ) осуществляется замыкание ключа 23 и переключение триггера 24 (перевод в 0"). Напряжение Оу изменяется в сторону уменьшения (р версируется) от значения U „ö „до U соответствующего резонансной частоте по АЧХ

ПЭТ и, следовательно» вьи,аох(фиг.2)

При определенной величине разности между знач ени ем U» и текущим U> . Ь=

»

=О -О д - зона нечувствительности компаратора 20) срабатывает компаратор

20 и переключает управляющий триггер

24. При этом О,, начинает снова уве- .. личиваться и при переходе значения 0 . опять срабатывает компаратор 20 ит.д.

Схема захватывает экстремальное значение Uz» и осуществляет н6прерывное выхлпах смещение задним в автоколебательном режиме с периодом с„ =2 Т (период колебаний U вы„ПЭТ) . Командный генератор 31 после захвата схемой 0в,,д„„, „ переходит в режим вынужденных колебаний. При действии частотного канала схемы обеспечивается настройка на резонансную частоту f. p ПЭТ напряжения на выходе Ор„,„,пс,„,при этом может изменяться зависимо от величины возмущающего воздействия и флуктуирует в некоторых пределах в связи с автоко-. лебательным режимом работы частотного канала. Поэтому стабилизация выход

9500 6 ного напряжения преобразователя осуществляется взаимосвязанным с частотным каналом действием амплитудного канала. Для этого на выходе узла 25

5 сравнения амплитудного канала формируется сигнал ошибки, определяемый разностью между текущим и экстремаль- ным значением 0в>„» который поступает на регулятор 2 амплитуды. Регулядр тор 2 амплитуды компенсирует изменения Овы„от заданного значения с высокой статической и динамической точностью, отрабатывая сигнал ошибки по определенному алгоритму (например, пропорционально-интегро-дифференциальному. ПИД-алгоритму). Для уменьшения ошибки слежения за значением 0в,„, „„„ при действии возмущений с управляющего триггера 24 с помощью дифференцируюшей цепочки 27 и 28 формируются короткие импульсы сброса (ис) схем

10 и 11 запоминания (сброс на "0") дпя стирания предыдушей информации.

Под действием этих импульсов npoucxo2s дит разряд запоминающих конденсаторов

16 и 17 через ключи 18 и 19 разряда.

Таким образом, преобразователь осуществляет адаптивное управление, автоматически определяя величины регулируюших

3р воздействий 1 ах и А х (1в„- входная частота,А, „- входная амплитуда), соответствующих резонансной частоте

ПЭТ и заданному (стабилизируемому) значению вы> одного напряжения, при изменении внешних воздействий (возмущений). В рассмотренной схеме скорость изменения U„, т.е. olU (E)alt,=К,рсооМ, а ее знак меняется после прохода экстремума Овь,„в соответствии с принятым

40 законом переключения (П-законом). По условиям подавления выбросов помех и увеличения точности работы лучшим является пропорционально-интегральный

ПИ-закон, KoTopbIA может быть сформи45 рован, например, посредством включения формирующего устройства (линейного, фильтра с конечным временем памяти) на входе управляющего триггера 24.

Улучшение точности и помехо-устойчивос5р ти может быть также достигнуто введением определенного алгоритма управления в регуляторе 1 частоты.

Варианты схемы пьезополупроводникового преобразователя с предлагаемым

ss способом адаптивного управления могут быть различными. Например, частота автоколебаний м,х может выступать в качестве управляющей информации для

9500 8

35

7 73 амплйтудного канала (вблизи экстремума

О х частота юдк максимальная) . Для этого, преобразуя о д, в напряжение (преобраэователем "частота-напряжение } н фиксируя посредством схемы запоминания (аналогичной 11) его максимальное значение, может сигнал ошибки на аходе регулятора 2 сформировать по разности значений напряжений, соответствующих текущему значению ю, и иэ,„„ ак тня» ,Оля увеличения помехоустойчивости преобразователя схемы запоминания могут фиксировать значение 0» тогда случайные выбросы не приведут к возможным нарушениям режима слежения за

0в „, При отработке возмущений, следующих с достаточно высокой частотой, отличия статических АЧХ от динамических АЧХ ПЭТ также могут привести к некоторому искажению нормального режима работы преобразователя. В этом случае может оказаться целесообразным переход вблизи экстремума на скорость поиска, когда динамическая АЧХ мало отличается от статической АЧХ (достигается схемными путями и выбором режима работы интегратора, при этом может быть осуществлена реализация способа с оптимизацией по быстродействию).

Испапьзование предлагаемого способа адаптивного управления в пьезополупроводниковых преобразователях обеспечивает самонастраивающийся (адаптивный) режим автоматической стабилизации выходного напряжения при действии сильных возмущений, высокую точность стабилизации выходного напряжения на его экстремальном значении при автоматическом слежении за частотой резонанса

ПЭТ, высокую устойчивость слежения эа экстремумом выходного напряжения и помехозащищенность (интегратор сглаживает помехи), а также возможность органиэации работы преобразователя с процессами, оптимальными по быстродействию при введении переменного (оптимального) закона изменения скорости поиска экстремума (реапизуется минимальное время поиска экстремума с заданной наперед точностью). та измерения с опорным сигналом, формировании аналогового сигнала управления s зависимости от указанного сравне ния и воздействия на амплитуду напряже

5 -ния возбуждения пьеэотрансформатора . ,полученным сигналом управления, о т л a ч а ю ш и и с я тем, что,с цепью повышения точности управления путем обеспечения адаптивного управления, предварительно воздействуют на частоту напряжения возбуждения пьеэотрансформатора поисковым сигналом, запоминают максимальное значение выходного напряжения путем сравнения выходного напряжения с опорным, формируют дискретный сигнал управления, частотой следования которого синхронизируют частоту поискового сигнала и которым воздействуют на частоту напряжения возбуждения пьезотранс форматора наряду с указанным воздействием аналового сигнала управления на амплитуду напряжения возбуждения.

2..Способ по п. 1, о т л и ч,а юшийся тем, что, в качестве опорного сигнала при формировании аналогового сигнала управления используют результат запоминания максимального значения выходного напряжения.

3. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее пьеэотрансформатор, одни обкладки которого служат для подключения выходной цепи, а другие соединены с выходом усилителя мощности, один вход которого соединен с выходом регулятора амплитуды, ахоп которого соединен с выходом узла сравнения, и датчик обратной связи, соединенный с выходной цепью, о т л и ч а юm и и с я тем, что устройство снабжено последовательно соединенными компаратором, ключом, управляющим триггером и интегратором, командным генератором, соединенным выходом через диффе ренцирующую цепочку с ключом и управляющим триггером, а входом через другую дифференцируюшую цепочку с выходом компаратора, а также двумя схемами запоминания,.одна из которых включена между выходом введенного первого

Формула изобретения

: 1. Способ управления в пьезополупроводниковых преобразователях, заключающийся в измерении выходного напряжения пьезотрансформатора, сравнении реэультаI

° повторителя и входом узла сравнения, а ,другая - между выходом второго введенного повторителя и аходом компаратора, причем входы повторителей соединены с выходом датчика обратной связи, а вы.ход интегратора соединен со входом введенного регуляторе частоты, выходом

739800 10

1. Лавриненко В, В. Пьезоэлектрические трансформаторы. М., Энергия, 1975, с, 80-93.

2. Авторское свидетельство СССР

М 448443, кл. 6 05 г 1/46, 1972, 9 соединенного с другим входом усилителя мошности

UHHHfIH Заказ 3047/7

Тираж 9S6 Подписное

Источники информации ° принятые во внимание при экспертизе

Филиал ППП Патент", r. Ужгород,ул. Проектная,4