SU1728958A1 - Регул тор частоты автономного генератора - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство содержит генератор 1 пр моугольных импульсов , синхронизированных с сетью, генератор 2 эталонной частоты, счетчик 3 импульсов, первый 4 и второй 13 формирователи коротких импульсов, первый 5 и второй 11 RS-триггеры, два, логических элемента И 6, 7, делитель частоты 8, элемент пам ти 9, цифроаналоговый преобразователь 10, делитель 12 частоты на два, п ть логических элементов И-НЕ 14-18. задатчик 19 числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора. 3 ил.

Description

VI

ю оо о сл оо

5

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано дл  стабилизации частоты автономных генераторов, например, в микроГЭС.

Известен автоматический регул тор ча- стоты генерируемого напр жени , содержащий формирователь пр моугольных импульсов, соответствующих регулируемой частоте, генератор импульсов эталонной частоты , реверсивный счетчик, схему анализа состо ни  счетчика. В указанном решении выходной сигнал регул тора частоты представл ет собой импульс, длительность которого пропорциональна отклонению частоты от номинальной. При этом максимальное воздействие на механизм подачи энергоносител  осуществл етс  при отсутствии импульсов на выходе регул тора частоты (т.е. при посто нном нулевом сигнале), а минимальное воздействие на механизм подачи энергоносител  должно осуществл тьс  при наличии импульсов на выходе регул тора частоты с длительностью, равной половине периода измер емой частоты. Таким образом, выходной сигнал регул тора час- тоты при изменении частоты измен етс  несимметрично: от нул  при уменьшении частоты до половины периода при увеличении частоты (вместо посто нного единичного выходного сигнала). Поэтому дл  симметричного регулирующего воздействи  на частоту необходимо применение на выходе регул тора инерционных исполнительных элементов, что снижает точность стабилизации частоты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному  вл етс  устройство, содержащее генератор пр моугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор эталон- ной частоты, счетчик импульсов, формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к пр мому выходу генератора пр моугольных импульсов, RS-триг- гер, два логических элемента И, делитель частоты.

В известном решении при малых отклонени х частоты, не выход щих за данную зону нечувствительности, на одном из двух выходов корректора частоты формируютс  импульсы посто нной заданной длительности с периодом следовани , пропорциональным величине отклонени . В качестве исполнительного элемента в известном решении предусматриваетс  применение электродвигател , интегрирующего дискретное управл ющее воздействие.

Недостатком прототипа  вл етс  низка  точность стабилизации частоты,вызван- на  необходимостью применени 

инерционных исполнительных элементов. Это, в свою очередь, снижает быстродействие системы стабилизации частоты и приводит к перерегулировани м в переходных процессах, что дополнительно снижает надежность устройства.

Цель изобретени  - повышение точности стабилизации частоты генератора.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в регул тор частоты автономного генератора , содержащий генератор пр моугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор эталонной частоты, счетчик импульсов , первый формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к пр - мсму выходу генератора пр моугольных импульсов , первый RS-триггер, два логических элемента И, делитель частоты, дополнительно введены элементы пам ти, цифроанало- говый преобразователь (ЦАП) второй RS-триггер, делитель частоты на два, второй формирователь коротких импульсов, п ть логических элементов И-НЕ, задатчик числа , соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, счетчик импульсов выполнен реверсивным, генератор пр моугольных импульсов снабжен дополнительным инвертирующим выходом, причем счетчик импульсов соединен информационным входом с задатчиком числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, входами пр мого и обратного счета - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, входами предварительной установки и установки нул  - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И, информационным выходом через элемент пам ти и цифроаналоговый преобразователь - с выходом регул тора частоты автономного генератора, выходами переноса младшего разр да и старшего разр да-соответственно с R-входом первого RS-триггера и счетным входом делител  частоты на два, генератор пр моугольных импульсов подключен пр мым выходом к первым входам первого и второго логических элементов И-НЕ, к S-входу первого RS- триггера, соединенного инверсным и пр мым выходами соответственно с вторыми входами первого и второго логических элементов И-НЕ, инвертирующим выходом - к входам установки нул  делител  частоты и делител  частоты на два, а через второй формирователь коротких импульсов - к первым входам третьего логического элемента И-НЕ и второго логического элемента И, второй вход которого соединен с первым входом четвертого логического элемента И- НЕ, с выходом генератора эталонной частоты , со счетным входом делител  частоты, с третьим входом первого логического элемента И-НЕ и вторым входом третьего логического элемента И-НЕ, а третий вход - с инверсным выходом второго RS-триггера, подключенного S-входом к пр мому выходу первого RS-триггера, R-входом - к инверсному выходу первого формировател  коротких импульсов и первому входу первого логического элемента И, с вторым входом, подключенным к выходу четвертого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с входом делител  частоты на два, и к первому входу п того логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего логического элемента И-НЕ, а выход-с входом разрешени  записи информации элемента пам ти, выход делител  частоты соединен с третьим входом второго логического элемента И-НЕ.

Путем непосредственного определени  величины отклонени  частоты в двоичном коде и затем на выходе ЦАП ее аналогового значени  обеспечиваетс  возможность измерени  мгновенного отклонени  частоты.

Отсутствие в предлагаемом регул торе интегратора и инерционного исполнительного элемента на выходе повышает быстродействие по сравнению с известными решени ми.

В прототипе в случае возникновени  колебательного процесса, выход щего за заданную зону нечувствительности, устройство не осуществл ют никаких регулирующих воздействий, по существу отклю- ча  обратную св зь до самопроизвольного успокоени  колебательного процесса. В предлагаемом решении сигнала на выходе устройства присутствует при любых режимах работы, и в случае возникновени  коле- бательного процесса благодар  практической безынерционное™ и непрерывности сигнала автоматизированный регул тор частоты способствует быстрому затуханию колебательного процесса. Это позвол ет исключить возможность по влени  неустойчивых режимов и повышает надежность . Таким образом, повышаютс  точность стабилизации частоты, а также надежность всего устройства вследствие улуч- шени  динамических характеристик и исключени  регулировани  системы.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого регул тора частоты; на фиг. 2 - диаграммы напр жений на входах и выходах основных элементов, регул тора частоты; на фиг, 3 - зависимость напр жени  на выходе цифроаналогового преобразовател  от частоты и периода входного сигнала.

Регул тор частоты автономного генератора содержит генератор 1 пр моугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор 2 эталонной частоты, счетчик 3 импульсов, первый формирователь 4 коротких импульсов, вход которого подключен к пр мому выходу генератора 1 пр моугольных импульсов, первый RS-триггер 5, два логических элемента И 6 и 7, делитель 8 частоты, элемент 9 пам ти, цифроаналого- вый преобразователь 10, второй RS-триггер 11, делитель 12 частоты на два, второй формирователь 13 коротких импульсов, п ть логических элементов И-НЕ 14-18, задатчик 19 числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора. Счетчик 3 импульсов выполнен реверсивным. Генератор 1 пр моугольных импульсов снабжен дополнительным инвертирующим выходом, Счетчик 3 импульсов соединен информационным входом с задатчиком 19 чис- ла, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора. Входы пр мого и обратного счета счетчика 3 подключены соответственно к выходам первого 14 и второго 15 логических элементов И-НЕ. Вход предварительной установки счетчика 3 соединен с выходом первого элемента И 6, а вход установки нул -с выходом второго логического элемента И 7, Информационный выход счетчика 3 через элемент 9 пам ти и цифроаналоговый преобразователь 10 соединен с выходным выводом регул тора частоты автономного генератора. Выходы переноса младшего разр да и старшего разр да счетчика 3 подключены соответственно к R-входу первого RS-триггера 5 и счетному входу делител  12 частоты на два. Генератор 1 пр моугольных импульсов подключен пр мым выходом к первым входам первого 14 и второго 15 логических элементов И-НЕ,а инвертирующим входом - к входам установки нул  основного делител  8 частоты и делител  12 частоты на два, а также через второй формирователь 13 коротких импульсов к первым входам третьего логического элемента И-НЕ 16 и второго логического элемента И 7. Второй вход логи- . ческого элемента И 7 соединен с первым входом четвертого логического элемента И- НЕ 17, с выходом генератора 2 эталонной частоты, со счетным входом основного делител  8 частоты, с третьим входом первого логического элемента И-НЕ 14 и вторым входом третьего логического элемента И-НЕ 16. Третий вход элемента. И 7 соединен с инверсным выходом второго RS-триггера 11.S- вход которого подключен к пр мому выходу первого RS-триггера 5, а R-вход триггера 11 подключен к инверсному выходу первого

формировател  4 коротких импульсов и первому входу первого логического элемента И 6. Второй вход логического элемента И 6 подключен к выходу четвертого логического элемента И-НЕ 17, второй вход которого соединен с выходом делител  12 частоты на два, и к первому входу п того логического элемента И-НЕ 18, Второй вход элемента И-НЕ 18 соединен с выходом третьего логического элемента И-НЕ 16, а выход элемента И-НЕ 18 подключен к входу разрешени  записи информации элемента 9 пам ти. Выход делител  8 частоты соединен с третьим входом второго логического элемента И-НЕ 15.

Регул тор частоты автономного генератора работает следующим образом.

На вход генератора 1 пр моугольных импульсов, синхронизированных с сетью, подаетс  сигнал, пропорциональный напр жению автономного генератора (фиг. 2, Вх. 1). На выходе генератора 1 пр моугольных импульсов по вл ютс  две противофазные последовательности сигналов: Вых. 1 пр. - на пр мом выходе и Вых 1 инв. на инверсном выходе. Логическим нулем с пр мого выхода генератора 1 пр моугольных импульсов первый RS-триггер 5 по S-входу устанавливаетс  в исходное состо ние: на пр мом выходе - сигнал логической единицы . По переднему фронту сигнала с пр мого выхода генератора 1 пр моугольных импульсов первый формирователь 4 коротких импульсов вырабатывает импульс (фиг. 2, Вых. 4, ti, который через первый вход первого логического элемента И 6 воздействует на С-вход предварительной установки счетчика 3. Тем самым производитс  предварительна  установка счетчика 3 в состо ние, заданное на его информационных D-входах с помощью задатчика 19 числа. Код числа, поданный на информационные D-входы счетчика 3, соответствует максимально допустимой частоте напр жени  автономного генератора, т.е. минимально допустимому периоду. После момента времени ti сигнал логической единицы с пр мого выхода генератора 1 пр моугольных импульсов разрешает работу первого 14 и второго 15 элементов И-НЕ. С пр мого выхода первого триггера 5 на второй вход второго элемента 15 также подана логическа  единица. Поэтому второй элемент И-НЕ 15 через свой третий вход пропускает на вход -1 обратного счета счетчика 3 последовательность импульсов с выхода делител  частоты (фиг. 2, Вх. , t2-ti). Вход установки нул  делител  8 св зан с инверсным выходом генератора 1 пр моугольных импульсов, и импульсы на выходе делител  8 по вл ютс 

только при наличии на его входе установки нул  сигнала логического нул . Так как выходна  частота делител  8 примен етс  дл  формировани  в каждый такт измерени  частоты минимального периода Тмин, заданного на информационных D-входах счетчика 3, то синхронизаци  этой частоты по входу установки нул  делител  8 позвол ет задавать минимальный период Тмин с погрешностью , не превышающей длительности одного периода генератора 2 эталонной частоты . Такое схемное решение дает возмож- ность дл  формировани  с высокой точностью периода Тмин использовать довольно низкую частоту с выхода делител  8 и, следовательно, небольшое количество разр дов счетчика 3.

Обратный счет в счетчике 3 продолжаетс  до момента t2, когда на выходе О 2

переноса младшего разр да счетчика 3 по витс  сигнал логического нул , который через R-пход переключает первый триггер 5.

Количество импульсов N, которое в течение времени t2-ti проходит с выхода делител  8 на вход обратного счета счетчика 3 (фиг. 2, Вх 3 -1, t2-ti), определ етс  из соотношени 

Тмин-Тдел (N + 0,5),(1)

где Тдел - период следовани  импульсов на

выходе делител  8 в период t2-ti,

коэффициент 0,5 св зан с тем, что счет происходит по переднему фронту тактовых импульсов, а после установлени  на выходах счетчика 3 сигналов логических нулей

сигнал на выходе О :Ј переноса младшего разр да по вл етс  по заднему фронту тактового импульса.

Число N, определ емое по формуле (1) и выраженное в двоичном коде, подано с помощью задатчика 19 числа на информацион- ные D-входы счетчика 3.

В моментt2, после переключени  первого триггера 5, на второй вход первого элемента И-НЕ 14 подаетс  логическа 

единица. Через третий вход первого элемента И-НЕ 14 с выхода генератора 2 эталонной частоты на вход +1 пр мого счета счетчика 3 подаютс  импульсы заданной частоты . При этом счетчик 3 считает разницу

между измеренным (Тизм) и заданным (Тмин) периодами:

Мизм Мизм

Тген - Тизм Тмин, Т изм - Т мин

(2)

СС МИЗМ-т00I ген

где Тген - период следовани  импульсов генератора 2 эталонной частоты;

Мизм - количество импульсов, подсчитанное счетчиком 3 в пр мом направлении.

Если частота напр жени , вырабатываемого генератором, ниже заданного значе- ни  TH, то происходит переполнение счетчика 3. На его выходе Э: 16 переноса старшего разр да по вл етс  второй им- пульс, который переключает делитель 12 частоты на два. Первый импульс на выходе переноса старшего разр да по вл етс  в момент t2. При переходе обратного счета через нуль на выходах счетчика 3 устанавли- ваютс  логические единицы, а с началом пр мого счета на выходе переноса старшего разр да по вл етс  первый импульс. Логическа  единица на выходе делител  12 частоты на два по вл етс  после прихода второго импульса на счетный вход делител  12. По входу установки нул  происходит обнуление делител  12. На фиг.2 (Вых. 12) момент переполнени  счетчика 3 обозначен как ts. После этого по влением логической единицы на втором входе четвертого элемента И-НЕ 7 разрешаетс  прохождение импульсов с выхода генератора 2 эталонной частоты через элемент 17 на второй вход элемент И 6 и на первый вход п того эле- мента И-НЕ 18. С выхода первого элемента И 6 в течение времени t-нз поступают импульсы на С-вход предварительной установки счетчика 3 (фиг. 2, Вх 3 С).

Так как диапазон изменени  частоты напр жени , вырабатываемого автономным генератором, небольшой, то в этом диапазоне можно считать период линейно завис щим от частоты. Поэтому графической зависимости (фиг, За) эквивалентна за- висимость (фиг. 3 б), в которой Тмакс соответствует нижнему заданному значению частоты f4, а Тмин - верхнему заданному значению частоты тв.

Дл  соотношени  частот Тизм TH спра- ведливо соотношение периодов Ттм Тмакс, которое эквивалентно выражению Мизи ММакс, где Ммакс - максимально возможное число, которое может быть записано в счетчик 3 при пр мом счете до срабатывани  делител  12 частоты на два. Ымакс определ етс  из выражени 

Т макс Т мин/о

М„

ген

Дл  обеспечени  требуемой передаточ- ной характеристики (фиг. 3) при выполнении услови  Тизм fn (Тизм Тмакс), о чем свидетельствует переполнение счетчика 3 в момент t3, необходимо на выходах счетчика 3 зафиксировать число NMSKC или большие число и через элемент 9 пам ти передать это число на входы цифроаналогового преобразовател  10. Дл  упрощени  схемы в качестве числа дл  фиксации в счетчике 3

можно использовать уже имеющеес  число N на информационных D-входах. Дл  этого должно выполн тьс  условие

N Ммакс,(4)

которое достигаетс  выбором соответствующих значений в выражени х (1) и (3).

При срабатывании делител  12 частоты на два одновременно с предустановкой счетчика 3 в момент t4-t3 импульсы с выхода четвертого элемента И-НЕ 17 поступают на первый вход п того элемента И-НЕ 18, на втором входе которого присутствует сигнал логической единицы. Импульсы с выхода п того элемента И-НЕ 18 подаютс  на вывод записи информации элемента 9 пам ти (фиг, 2, Вх. 9С, t4-t3). Таким образом формируетс  часть характеристики выходного напр жени  ЦАП 10 дл  интервала частоты

.

Так как предварительна  установка счетчика 3 производитс  по заданному фронту импульса на С-входе, а запись информации в элемент 9 пам ти - по переднему фронту импульса на его С-входе, то с учетом длительности переходных процессов элементов 3 и 9 дл  получени  на входах ЦАП достоверной информации одновременное управление по С-входам элементов 3 и 9 производитс  пачкой импульсов (фиг. 2, Вх. ЗС, Вх. 9С, t4-t3).

По окончании импульса с пр мого выхода генератора 1 пр моугольных импульсов (t4) обнул етс  делитель 12 частоты на два (сигналом логической единицы на его выводе установки нул ), подача импульсов на С-входы элементов 3 и 9 прекращаетс . Одновременно по переднему фронту сигнала с инверсного выхода генератора 1 пр моугольных импульсов второй формирователь 13 коротких импульсов вырабатывает импульс (Вых. 13, t4), который в третьем элементе И-НЕ 16 заполн етс  частотой генератора 2 эталонной частоты. Эта пачка импульсов инвертируетс  п тым элементом И-НЕ 18 ( на его первом входе присутствует логическа  единица) и поступает на С-вывод записи информации элемента 9 пам ти. Происходит фиксирование информации с выходов счетчика 3.

В течение времени ts-t4 измерение не происходит, на выходе ЦАП 10 удерживаетс  значение напр жени , соответствующее периоду Тизм, измеренному в течение времени .

Начина  с ts процесс измерени  повтор етс . До момента te происходит вычитание из счетчика 3, затем после переключени  первого триггера 5 начинаетс  пр мой счет. Если измер емый период удовлетвор ет соотношению

Тмин Тизм Тмакс,(5)

то, когда в момент t произойдет переключение генератора 1 пр моугольных импульсов , остановитс  пр мой счет в счетчике 3 и сигналом с выхода третьего элемента И-НЕ 16 (Вых. 16, t)через п тый элемент И-НЕ 18 (Вх. 9С, t) запишетс  в элемент 9 пам ти число Мизм. Это число удерживаетс  в элементе 9 пам ти до прихода следующего сигнала на вывод записи информации, т.е. до окончани  следующего цикла измерений.

При выполнении услови  (5) напр жение на выходе ЦАП 10 в зависимости от величины измеренного периода ТИзм измен етс  по линейному закону (фиг. 36, уча- сток от Тмин до Тмакс), т.е. пропорционально величине измер емого периода.

Если измер ема  частота напр жени , вырабатываема  автономным генератором, возросла и выполн етс  неравенство

fM3M fB,

что соответствует

Тизм Тмин,(6)

то устройство работает следующим образом .

В момент ts переключени  генератора 1 пр моугольных импульсов в счетчик 3 записываетс  число М(все происход щие процессы аналогичны рассмотренным). Начинаетс  вычитание импульсов с часто- той делител  8 из счетчика 3. Одновременно каждым сигналом с выхода первого формировател  4 коротких импульсов (в моменты ti, ts, ts) второй триггер 11 устанавливаетс  в состо ние логической единицы на инверс- ном выходе, Если вычитание из счетчика 3 заканчиваетс  раньше момента переключени  генератора 1 пр моугольных импульсов (например, t2, te), то второй триггер 11 сигналом с пр мого выхода первого триггера 5 устанавливаетс  в состо ние логического нул  на инверсном выходе,

Если выполн етс  условие (6), то обнуление второго триггера 11 не происходит. На третий вход второго элемента И 7 подана логическа  единица. В момент tg переключени  генератора 1 пр моугольных импульсов с пр мого выхода второго формировател  13 коротких импульсов на первый вход второго элемента И 7 подаетс  импульс (Вых. 13, tg), который заполн етс  эталонной частотой с выхода генератора 2 эталонной частоты (Вых. 7, tg).

Claims (1)

1. Полученна  пачка импульсов подаетс  на вывод установки нул  счетчика 3, на вы- ходах которого устанавливаютс  логические нули. Одновременно с выхода п того элемента И-НЕ 18 подаетс  на вывод записи информации элемента 9 пам ти пачка импульсов (Вх. 9С, tg). Логические нули с выходов элемента 9 пам ти через ЦАП 10 подаютс  на выход регул тора частоты. Таким образом происходит при условии (6) формирование зависимости выходного напр жени  ЦАП 10 от длительности измер емого периода (фиг. 36, участок вправо от Тмин). Формула изобретени  Регул тор частоты автономного генератора , содержащий генератор пр моугольных импульсов, синхронизированных с сетью, генератор эталонной частоты; счетчик импульсов, первый формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к пр мому выходу генератора пр моугольных импульсов, первый RS-триггер, два логических элемента И, делитель частоты, о т- личающийс  тем, что, с целью повышени  точности стабилизации частоты генератора , введены элемент пам ти, цифроаналоговый преобразователь, второй RS-триггер, делитель частоты на два, второй формирователь коротких импульсов, п ть логических элементов И-НЕ, задатчик числа , соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, счетчик импульсов выполнен реверсивным, генератор пр моугольных импульсов снабжен дополнительным инвертирующим выходом, причем счетчик импульсов соединен информационным входом с задатчиком числа, соответствующего верхнему допустимому значению частоты генератора, входами пр мого и обратного счета - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, входами предварительной установки и установки нул  - соответственно с выходами первого и второго логических элементов И, информационным выходом через элемент пам ти и цифроаналоговый преобразователь - с выходом регул тора частоты автономного генератора, выходами переноса младшего разр да и старшего разр да - соответственно с R-входом первого RS-триггера и счетным входом делител  частоты на два, генератор пр моугольных импульсов подключен пр мым выходом к первым входам первого и второго логических элементов И-НЕ, к S-входу первого RS- триггера, соединенного инверсным и пр мым выходами соответственно с вторыми входами первого и второго логических элементов И-НЕ, инвертирующим выходом - к входам установки нул  делител  частоты и делител  частоты на два, а через второй формирователь коротких импульсов - к первым входам третьего логического элемента И-НЕ и второго логического элемента И, второй вход которого соединен с первым входом четвертого логического элемента И-НЕ, с выходом генератора эталонной частоты,

   со счетным входом делител  частоты, с третьим входом первого логического элемента И-НЕ и вторым входом третьего логического элемента И-НЕ, а третий вход - с инверсным выходом второго RS-триггера, подключенного S-входом к пр мому выходу первого RS-триггера, R-входом - к инверсному выходу первого формировател  коротких импульсов и первому входу первого логического элемента И, с вторым входом,

   0

   подключенным к выходу .четвертого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом делител  частоты на два, и к первому входу п того логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего логического элемента И-НЕ, а выход-с входом разрешени  записи информации элемента пам ти, выход делител  частоты соединен с третьим входом второго логического элемента И-НЕ.

   о

   v/A/JHOM JB