Устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШИРОТНОИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ , содержащее генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу модулятора длительности импульсов, к второму входу «которого подсоединен задатчик,.а также электрогидравлическийисполнительный элемент и пороговый блок, отличающееся тем, что, с целью повышения его надежности, в него введены ключ и датчик скорости перемещения, причем выход модулятора длительности импульсов через ключ соединен с входом электрогидрав лического исполнительного органа, выход; которого через последовательно соединенные датчик скорости перемещения и пороговый блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсов. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что ключ содер% жит усилитель, первый вход которого подключен к входу ключа, второй вход подключен через конденсатор к выходу ключа, который через первичную обмотку трансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через вторичную обмотку трансформатора и диод соединена с положительной шиной ис30 точника напряжения и вторым входом усилителя. :

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (111

3(д1 G 05 В 11/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

И ОТКРЫТИЙ

/ (21) 3454207/18-24 (22). 15.06.82 (46) 07.04.84. Бюл. В 13 (72) В.А. Коровин, В.И. Курченков и М.М. Харалдин (71) Челябинский филиал Государственного союзного ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательского тракторного института (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свицетельство СССР

HI 513361, кл. G 05 F 5/00, 1976.

2. Патент США 1(4138632, кл. G 05 В 11/28, опублик. 1977.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 561168, кл. G 05 В 11/28, 1977 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШИРОТНОИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ, содержащее генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу модулятора длительности импульсов, к второму входу которого подсоединен задатчик, а также электрогидравлический.исполнительный элемент и пороговый блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения его надежности, в него введены ключ и датчик скорости перемещения, причем выход модулятора длительности импульсов через ключ соединен с входом электрогидравлического исполнительного органа, выход которого через последовательно соединенные датчик скорости перемещения и пороговый блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсов.

2. Устройство по п . 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что ключ содер- д жит усилитель, первый вход которого подключен к входу ключа, второй вход подключен через конденсатор к выходу ключа, который через первичную обмотку трансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через вторич- ную обмотку трансформатора и диод соединена с положительной шиной источника напряжения и вторым входом усилителя.

1084730

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления электромагнитами быстродействующих электрогидравлических приводов.

Известно устройство для автоматического регулирования тока питау ия электромагнита f1) .

Недостатками известного устройства являются боль1пие габариты и стоимость, вызванные сложностью функциональной н, соответственно, принципиальной схемы устройства.

Кроме того, это устройство не обеспечивает контроля срабатывания ,электромагнита, что исключает возможность реализации эффективного форсирования электромагнита в быстродействующих электрогидравлических

* приводах.

t0 t5

Более совершенной является цифровая следящая система с широтноимпульсным модулятором, содержащая электрогидравлический механизм, электромагниты которого связаны с выходами двух усилителей мощности, датчик положения, связанный с выходным штоком электрогидравлического исполнительного механизма, устройст- .30 во широтно-импульсной модуляции, которое через триггер связано с управляющими входами усилителей мощности, задающее устройство, а также цифровое управляющее устройство, 1 35 входы которого соединены с выходами датчика положения и задающего устройства, а выходы подключены к входам устройства широтно-импульсной модуляции 121 .

Недостатком этого устройства является низкая надежность, вызванная отсутствием форсировки при включении электромагнитов, а также сложностью конструкции устройства. 45

Кроме того, в данном устройстве не зависимо от величины управляющего воздействия, в зависимости от состояния триггера, включенного межДу выходами устройства широтно-им- 50 пульсной модуляции и входами усилителей мощности, всегда включен один из электромагнитов электрогидравлического механизма, т. е . последний постоянно находится в возвратно-поступатель- 55 ном движении. Это приводит к значитель- ному сокращении ресурса работы устройства за счет механического иэноса электрогидравлического механизма.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для широтно-импульсного управления электромагнитным исполнительным механизмом, содержащее модулятор длительности импульсов, электрогидравлическнй исполнительный элемент, генератор прямоугольных импульсов, пороговый блок, причем генератор прямоугольных импульсов подключен к первому, а задатчик. к второму входу модулятора длительности импульсов. В данном устройст ве при включении электромагнита производится подача импульса форсировки с аиплитудой, равной величине напряжения источника питания.и длительностью, определяеиой параметрами дифференцирующего звена. В режиме удержания путем широтно-импульсной модуляции управляющего .сигнала производится снижение напряжения на электромагните (3) .

Недостатком этого устройства является низкая надежность, так как увеличение времени срабатывания электромагнита по каким-либо причинам (например, увеличение нагрузки на электромагнит) до величины, превышающей. время форсировки, приводит к иевключению электромагнита. В то же время выбор форсировки, существенно большего времени срабатывания электромагнита, не допустим из соображений экономичности устройства и допустимого перегрева электромагнита.

К недостаткам данного устройства следует также отнести сложность конструкции усилителя, а следовательно, повьипенную стоииость и пониженную надежность. Это вызвано тем, что в известном устройстве для реализации двухполярного выходного напряжения усилителя, необходимо применение полумостовой или мостовой. схемы оконечного каскада усилителя, что требует использования не менее двух силовых транзисторов с соответствующими схемами управления, стоимость которых значительно . превышает стоимость пассивных элементов устройства.

Цель изобретения — повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для широтно-импульс1084730

4 ного управления электромагнитом, содержащее генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу модулятора длительности импульсов1 к второму входу которого 5 подсоединен задатчик, а также электрогидравлический исполнительный элемент и пороговый блок, введены ключ и датчик скорости перемещения, причем выход модулятора длительности импуль- 10 сов через ключ соединен с входом электрогидравлического исполнительного, органа, выход которого через последовательно соединенные датчик скорости перемещения и пороговый 15 блок соединен с третьим входом модулятора длительности импульсов..

Причем ключ содержит усилитель, первый вход которого подключен к входу ключа, второй вход подключен 20 через .конденсатор к выходу ключа, который через первичную обмотку трансформатора связан с выходом усилителя, отрицательная шина источника напряжения через .вторичную обмотку трансформатора и диод соединена с положительной шиной источника напряжения и вторым входом усилителя.

На фиг. — изображена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 — З0 принципиальная схема ключа; на фиг.3временная диаграмма работы устройства.

Устройство для широтно-импульсного управления электромагнитом содер35 жит генератор 1 прямоугольных импульсов, задатчик 2, модулятор 3 длительности импульсов, усилитель 4, ключ 5,. источник 6 напряжения, электрогидравлический исполнительный механизм 7, датчик 8 скорости перемещения и пороговый блок 9, конденсатор 10, диод 11, трансформатор 12„ первичную обмотку трансформатора 13, вторичную обмотку трансформатора 14, клеммы источника 15 питания, первый и второй элементы И 1 6 и 17, элемент

ИЛИ 18.

Модулятор длительности импульсов может быть выполнен по различным 50 принципиальным схемам. На фиг. 1 представлен вариант выполнения модулятора 3 длительности импульсов на двух элементах И 16 и 17 и элементе

ИЛИ 18. Первый вход элемента И 16 55 является первым входом модулятора

3 длительности импульсов, второй .вход первого элемента И 16 и первый вход второго элемента И 17 объединены и используются как второй вход модулятора 3 длительности импульсов, в качестве третьего входа которого используется второй вход второго элемента И 17. Выход первого и второго элементов И 16 и 17 подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ 18, выход которого является выходом модулятора 3 длительности импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 прямоугольных импульсов генерирует прямоугольные импульсы фиксированной частоты, поступающие на первый вход модулятора 3 длительности импульсов (фиг. 3 О 1).

Если напряжение на выходе задатчика 2 в момент времени t равно нулю (фиг. 3 Ц 2), элементы И 16 и

И 17 блокируют прохождение импульсов генератора 1 прямоугольного напряжения и выходного сигнала порогового блока 9 на входы элемента

ИЛИ 18. В этом случае напряжение на выходе модулятора 3 длительности им пульсов (фиг. 3 0 3) равно нулю, оконечньй каскад усилителя 4 находится в запертом состоянии, выходной сигнал ключа 5, т.е. напряжение, на электромагните (фиг. 3 0 6) равно нулю, электромагнит исполнительного органа находится в отключенном состоянии, т.е. шток неподвижен и выходной сигнал датчика 8 скорости равен нулю. Нулевой уровень выходного сигнала порогового блока 9 приводит к появлению высокого уровня потенциала на его выходе (фиг. 3 U 9), однако нулевой уровень напряжения на первом входе второго элемента И 17 препятствует прохождению выходного сигнала порогового блока 9 на выход модулятора 3 длительности импульсов и электромагнит остается в выключенном состояний.

После прихода управляющего сигнала (момент времени t ) с выхода задатчика 2 (фиг.. 3 U 2) на втором входе первого элемента И -16 и первом входе элемента И 17 устанавливается уровень высокого потенциала.

На выходе первого элемента И 16 появляются импульсы генератора 2 прямоугольного напряжения, а на выходе второго элемента И 17 появляется высокий уровень выходного сигнала по1084730 рогового блока 9. Элемент ИЛИ 18 производит суммирование этих сигна- лов и на выходе модулятора 3 длительности импульсов устанавливается уровень высокого потенциала. Появ- 5 ление постоянного напряжения на выходе модулятора 3 длительности импульсов приводит к насыщению оконечного транзистора усилителя 4 мощности и появлению на его выходе напряжения, равного величине напряжения источника 6 питания. Через первичную обмотку 13 трансформатора 12 это напряжение поступает на конденсатор 10 и на электрогидравлическое исполнительное устройство 7. Трансформатор 12 работает в этом режиме в качестве линейного дросселя. Причем индуктивность первичной обмотки трансформатора 12 и емкость конденсатора 10 выбраны таким образом, чтобы постоянная времени заряда конденсатора 10 была не менее, чеи в

10 раз меньше времени нарастания тока в электромагните исполнительного устройства 7. Этим обеспечивается практически полное отсутствие влияния задержки силового ключа на время включения электромагнита.

Через интервал времени, равный времени срабатывания электромагнита,, происходит срабатывание последнего, шток исполнительного органа 7 приходит в движение, и на выходе датчика 8 скорости появляется сигнал, пропорциональный скорости движения штока исполнительного органа 7.

Когда этот сигнал достигнет заданного значения, срабатывает порого-, вый блок 9 (фиг. 3 О 9, момент вре40 мени 12 ) . Появление низкого потен- .циала на выходе порогового блока 9 свидетельствует о полном срабатывании электромагнита исполнительно» го устройства 7 и используется для фЯ перехода из режима форсированного включения .электромагнита в режим удержания. Появление низкого потенциала .на выходе порогового элемента 9 приводит к установлению нулевого потенциала на выходе второй схе мы И 17. В этом случае на вход элемента ИЛИ 18 поступают только им.пульсы с выхода первой схемы И 16 и на выходе модулятора 3 длительности импульсов появляются импульсы, частота и скважность которых определяют ся частотой и скважностью выходных импульсов генератора 1 прямоуголь- ного напряжения.

Указанные импульсы осуществляют шИротно-импульсное управление усилителеи 4, что позволяет снизить среднее значение его выходного напряжения, обеспечивая теи самым снижение .напряжения на обмотке электромагнита в режиме удержания. Ключ сглаживает пульсации напряжения на электромагните, в режиме удержания, обеспечивая уменьшение динамических потерь. Одновременно ключ формирует безопасную траекторию переключения транзистора усилителя 4, обеспечивая повышение надежности всего устройства в целом. При насыщенном транзисторе усилителя 4 коллекторный ток протекает от плюсовой шины источника питания через первичную обмотку 13 трасформатора 12 в электромагнит и конденсатор 10. Диод 11 при этом закрыт и вторичная обмотка

15 трансформатора 12 не участвует в работе ключа. При запертом состоянии оконечного транзистора усилителя 4, энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора 12 через вторичную обмотку 14 и диод 11, возвращается в источник 15 питания, а конденсатор 10 обеспечивает непрерывность протекания тока электромагнита.

В момент. времени t2, т.е. при переходе с режима форсировки на режим удержания электромагнита происходит перезаряд конденсатора 10. В зависимости от параметров ключа и электроямагнита исполнительного органа 7 перезаряд может иметь апериодический или автоколебательный характер.

На фиг. 3 (О 6) показан случай ° автоколебательного режима перезаряда конденсатора 10. В интервале времени ь -1З осуществляется работа электромагнита в режиме удержания. В этом интервале напряжение на выходе порогового блока 9 равно нулю, что является сигналом, подтверждающим движение штока исполнительного органа 7, т.е. подтверждением нахождения электромагнита всработаннои положении. Если в результате какого-либо внешнего воздействия произошло отключение электромагнита, выходной сигнал noporosoro органа 9 принимает уровень высокого потенциала и устройство ав-, томатически переходит в режим фор10 сированного включения электромагнита, чем и обеспечивается высокая надежность работы предлагаемого устройства.

В момент времени 3 происходит отключение выходного сигнала задатчика 2. Это приводит к запиранию оконечного транзистора усилителя 4 и передаче энергии, запасенной в трансформаторе 12-, через обмотку 14 и диод 11 в источник питания. Индуктивность обмоток 13 и 14 трансфор. матора 12. при практической реализа,ции устройства выбирается значительно меньше индуктивности электромагнита 6. Поэтому наличие трансформатора 12 практически не сказывается на процессе отключения электромагнита. Диод 11 не шунтирует обмотку электромагнита, поэтому после запирания оконечного каскада усилителя 4

ЭДС самоиндукции электромагнита отрицательной полярности прикладывается к конденсатору 10. В интервале времени1 -$< энергия, запасенная в магнитном поле электромагнита передается в конденсатор 10. В интервале времени 1 -1 конденсатор 10

3 . поддерживает отрицательное напряжение на электромагните, чем н обеспечивается эффект форсировки при его отключении. Формирование отрицательного напряжения на электромагните обеспечивается без применения реверсивных (мостовых или полумостовых) схем усилителя 4. Это обеспечивает низкую стоимость предлагаемого устройства. В момент времени 1 начинается движение якоря электромагнита при его отпускании. Выброс напряжения на электромагните в интер84730 8 вале времени 4g — tg появляется за счет изменения индуктивности электромагнита при движении его якоря.

После отпускання электромагнита

5 (в момент времени 4<) останавливается шток дополнительного органа 7, выходное напряжение порогового блока 9 (фиг. 3 0 9) принимает уровень высокого потенциала и устройство остается в выключенном состоянии до прихода следующего сигнала управления устройством.

Предлагаемое устройство обеспечивает автоматическое переключение

15 с режима форсировки на режим удержания электромагнита при любой скорости движения якоря электромагнита, а также автоматическое переключение с режима удержания на режим форсиров20 ки при отключении электромагнита независимо от причины, вызвавшей это отключение. Этим обеспечивается значительное повышение надежности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

Одновременно устройство обеспечивает форсированное отключение электромагнита беэ применения полумостовых или мостовых схем усилите30 ля мощности, что существенно снижает стоимость устройства.

Указанная схема позволяет на 20307. уменьшить время отключения электромагнита. Это вызвано тем, что в предлагаемой схеме возможно получение отрицательного напряжения на электромагните любой величины, а также возможно превышение длительности воздействия отрицательного напряжения на электромагнит времени спада тока в его обмотке.

Янх

Составитель Г. Нефедова

Редактор Ю. Середа Техред Т. Маточка Корректор 0, Тигор

C

Заказ 2000/41, Тираж 842, Подиисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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