Интегрирующий аналого-цифровой датчик нулевого тока

Высокий уровень помех в каналах передачи информации систем управления технологическими процессами является одной из причин сбоев в работе силовой преобразовательной техники [1], в частности, реверсивных тиристорных преобразователей (ТП) постоянного тока с раздельным управлением. Здесь одним из наиболее чувствительных к внешним помехам элементом системы управления ТП являются датчики нулевого тока (ДНТ), построение которых традиционно базируется на том или ином варианте схем компараторов [2]. При этом уровень фильтрации сигналов помех на входе ДНТ зачастую ограничивается требованиями к быстродействию системы управления технологическим объектом.

Одним из эффективных путей повышения помехоустойчивости систем управления ТП является применение методов аналого-цифрового интегрирующего развертывающего преобразования [3–5].

Ниже рассматривается принцип построения интегрирующего ДНТ повышенной помехоустой- чивости на базе частотно-широтно-импульсного развертывающего преобразователя (РП) с цифровым методом обработки выходного сигнала.

ДНТ на рис. 1, а отличается от известной аналоговой схемы [6] способом фиксации нулевого значения входной координаты, для чего период выходных импульсов РП преобразуется в цифровой код, который сравнивается с заранее заданным значением, пропорциональным периоду автоколебаний РП при нулевом уровне входного сигнала.

Для этой цели здесь служат ключевой элемент Кл., одновибраторы ОВ1, ОВ2, генератор счетных импульсов стабильной частоты G , элемент задержки DL , счетчик СТ , регистр памяти RG , цифровой компаратор ЦК, элемент Л1 «2И», элемент Л2 « n И-НЕ», блок Л3 функции «2ИЛИ» и источник опорного цифрового кода ИК.

В основе ДНТ лежит интегрирующий РП (рис. 1, а), состоящий из сумматора Σ, интегратора И, релейного элемента РЭ с неинвертирующей петлей гистерезиса и симметричными относительно

Преобразовательная техника

Рис. 1. Структурная схема (а) и временные диаграммы сигналов (б–з) интегрирующего аналого-цифрового датчика нулевого тока

нулевого уровня порогами переключения ± b , а также пропорциональные звенья К ВХ и К ОС на входе и в цепи обратной связи, определяющие величину коэффициента передачи К П РП со стороны информационного входа.

В исходном состоянии при входном сигнале, удовлетворяющем условию | Х _ВХ | < (| ± Х д | = 1±А / K П |), РП работает в режиме автоколебаний с ЧШИМ. Здесь ± А - амплитуда выходных импуль

сов РЭ; ±Х д - допустимый уровень сигнала Х _ВХ, соответствующий линейному участку модуляционной характеристики. Период автоколебаний оп-

ределяется соотношением

Т о =

4 bТ И

¹ - ^Х ВХ

где b = | b / A - нормированное значение порогов переключения РЭ; T _И – постоянная времени инте-

гратора И; Х _ВХ = | Х _ВХ К _П / А\ - нормированное значение входного сигнала ДНТ.

Наличие тока в цепи нагрузки ТП переводит РП в заторможенный режим, когда выходной сигнал РЭ принимает одно из статических положений ±А . Для этого параметры звеньев К _ВХ и К ОС подбираются таким образом, чтобы входной сигнал X ВХ ДНТ значительно превышал бы допустимое значение ±Х Д . Как правило, для этого необходимо обеспечить К _П = 100 … 300.

По мере снижения тока нагрузки РП стремится перейти в режим автоколебаний (рис. 1 б), что происходит, когда входной сигнал становится меньше величины ± Х Д .

Нелинейный элемент НЭ с зоной нечувствительности | ± b ₀ | > |± b | в цепи обратной связи интегратора И (рис. 1, а) уменьшает время задержки выхода ОУ интегратора из режима «насыщения» при выполнении условия (| ± Х _ВХ | <  | ± А / K _П|), что повышает быстродействие ДНТ.

Ключ Кл. предназначен для преобразования биполярных выходных импульсов РЭ в однополярный сигнал (рис. 1 б, в), что необходимо для «стыковки» выхода РЭ с элементами цифровой электроники. ОВ1 формирует импульсы малой длительности синхронно с передним фронтом сигнала на выходе Кл. (рис. 1, в, г), а импульс на выходе ОВ2 появляется при достижении в счетчике заранее заданного числа N 0 (рис. 1, д, з), когда Л2 переходит в нулевое состояние и накопление числа в счетчике СТ прекращается. Запись данных в регистр памяти RG производится выходными импульсами ОВ1, а «обнуление» СТ осуществляется с задержкой τ , формируемой с помощью DL (рис. 1, г–е).

При уменьшении ХВХ до нулевого значения период следования импульсов на выходе РЭ становится минимальным (рис. 1, б, t1 = t2) и соответствует числу Nmin = TХВХ = 0 / ТG , которое задается источником ИК. Здесь TG – период счетных импульсов с выхода генератора G, причем TG << T0.

В этом случае ЦК переключается в состояние логической «1», фиксируя тем самым факт нулевого значения входной координаты.

Учитывая, что при t 1 ≠ t 2 соблюдается условие N 0 >  N min , цифровой компаратор ЦК сохраняет на выходе логический «0», запрещающий реверс ТП. Периодический запуск ОВ1 (рис. 1, г) дублирует перенос числа N ₀ в RG .

Если ДНТ вновь переходит в статический режим (рис. 2, а), то число в счетчике достигает уровня N 0 (рис. 2, в). Под действием импульса с выхода ОВ2 (рис. 2, в) данные переносятся в RG , а компаратор ЦК формирует сигнал логического «0» (рис. 2, г). При этом счет прекращается, так как состояние N 0 в СТ обеспечивает статический «0» на выходе Л2, блокируя прохождение счетных импульсов через Л1 с выхода G на счетный С- вход счетчика СТ .

Основные преимущества аналого-цифрового ДНТ сводятся к следующему. Он является системой с двойным интегрированием, что повышает степень помехоустойчивости ДНТ как к внешним, так и внутренним помехам (первый канал интегрирования – интегратор И, второй «интегратор» – счетчик СТ ). Повышенная точность ДНТ обусловлена цифровым алгоритмом фиксации значения N min , 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 ЦК в состояние «1» под действием внешних помех, а также снижает уровень внутренних помех в ДНТ от РП, который тот генерирует, например, через каналы источника электропитания, работая в режиме автоколебаний.

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов интегрирующего аналого-цифрового датчика нулевого тока при срыве автоколебаний в развертывающем преобразователе

Преобразовательная техника

Кроме того, дискретно-цифровая часть ДНТ, в которую целесообразно включить также РЭ (см. рис. 1, а), достаточно просто реализуется на программируемом контроллере ПК. Интегрирующий канал ДНТ в большинстве практических случаев целесообразно выполнять на аналоговой основе, так как цифровое интегрирование не приводит к повышению точности ДНТ, а лишь неоправданно увеличивает объем программной части устройства.