RU2716441C1

RU2716441C1 - Power amplifier

Info

Publication number: RU2716441C1
Application number: RU2019118509A
Authority: RU
Inventors: Алексей Валерьевич Бабкин; Владимир Яковлевич Николаев; Сергей Александрович Фомин; Александр Юрьевич Смирнов; Борис Алексеевич Смирнов; Михаил Евгеньевич Федотов
Original assignee: Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал"
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-03-12

Abstract

FIELD: automatic control.

SUBSTANCE: invention relates to the field of automatic control, namely to devices providing amplification of control signals to values required for guidance and stabilization of inertial objects. Invention is used for diagnostics of a discriminator power amplifier installed at the output of the control signal generator, which ensures minimization of the heteropolar pulse duration to the specified value.

EFFECT: technical result consists in improvement of reliability of power amplifier, as well as in reduction of total power consumption.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматического регулирования, а конкретно к приборам, обеспечивающим усиление управляющих сигналов до величин, необходимых для наведения и стабилизации инерционных объектов, например, усилителей мощности электрических приводов наведения и стабилизации артиллерийского вооружения подвижных объектов.The invention relates to the field of automatic control, and in particular to devices that provide amplification of control signals to the values necessary for guidance and stabilization of inertial objects, for example, power amplifiers of electric drive guidance and stabilization of artillery weapons of moving objects.

Особенностью современных усилителей мощности является наличие в них устройств, обеспечивающих диагностику исправного состояния силовой части усилителя мощности перед подачей силового питания на исполнительный электродвигатель.A feature of modern power amplifiers is the presence in them of devices that provide diagnostics of the healthy state of the power part of the power amplifier before applying power to the actuator.

Известен усилитель мощности, реализованный в изделии БОС [Блок одноосной стабилизации АЮИЖ.461324.007 РЭ, АО «ВНИИ «Сигнал», г. Ковров, 2008 г.] (принятый за прототип), предназначенный для усиления управляющих сигналов в приводе наведения и стабилизации указателя истинного горизонта, используемого в системе обеспечения посадки вертолета на палубу корабля.A well-known power amplifier implemented in the BOS product [Uniaxial stabilization unit АУИЖ.461324.007 РЭ, VNII Signal JSC, Kovrov, 2008] (adopted as a prototype), designed to amplify control signals in the guidance and stabilization drive of the true pointer the horizon used in the system for ensuring the landing of the helicopter on the deck of the ship.

Этот усилитель мощности содержит (фиг. 1) формирователь управляющих сигналов 1, на вход которого поступает сигнал «Пуск», а выход через нормально замкнутый контакт первого коммутатора 2 соединен с входом силового усилителя 3. На нормально разомкнутый контакт первого коммутатора 2 поступает входной сигнал. Выход силового усилителя 3 через датчик напряжения 4 и нормально замкнутый контакт силового коммутатора 10 соединен с балластным резистором 11. К нормально разомкнутому контакту силового коммутатора 10 подключена нагрузка (исполнительный электродвигатель). Усилитель мощности содержит схему «И» 5, первый вход которой соединен с выходом первого коммутатора 2, второй вход соединен с выходом датчика напряжения 4, а выход - с входом схемы «НЕ» 6 и входом первого триггера Шмитта 7. Выход первого триггера Шмитта 7 соединен с управляющими входами первого коммутатора 2 и силового коммутатора 10. Выход схемы «НЕ» 6 соединен с входом второго триггера Шмитта 8. Также усилитель мощности содержит второй коммутатор 9, через нормально замкнутый контакт которого силовое питание поступает на второй вход силового усилителя 3. Выход второго триггера Шмитта 8 соединен с управляющим входом второго коммутатора 9. Диагностика исправного состояния силовой части данного усилителя мощности перед подачей силового питания на исполнительный электродвигатель проводится следующим образом. По сигналу «Пуск» формирователь управляющих сигналов 1 формирует пакет стимулирующих сигналов, состоящий из двух разнополярных импульсов длительностью порядка двух секунд каждый. Этот пакет стимулирующих сигналов через нормально замкнутый контакт первого коммутатора 2, силовой усилитель 3, датчик напряжения 4 и нормально замкнутый контакт силового коммутатора 10 поступает на балластный резистор 11. Балластный резистор 11 используется при диагностике исправного состояния силовой части усилителя мощности для того, чтобы стимулирующие сигналы не перемещали нагрузку усилителя мощности в процессе диагностики. Номинал балластного резистора 11 выбран таким, чтобы выходной ток силового усилителя 3 не превысил допустимых значений для его активных элементов. Одновременно с выхода первого коммутатора 2 пакет стимулирующих сигналов поступает на первый вход схемы «И» 5. На второй вход схемы «И» 5 поступают сигналы с выхода датчика напряжения 4. Схема «И» 5 построена таким образом, что при совпадении сигналов на первом и втором входах схемы «И» 5 по знаку и величине (это характерно для исправного усилителя мощности), на выходе схемы «И» 5 появляется сигнал, переключающий первый триггер Шмитта 7 в состояние, обеспечивающее переключение первого коммутатора 2 и силового коммутатора 10. После этого первый коммутатор 2 подключает к входу силового усилителя 3 входной сигнал, а силовой коммутатор 10 подключает к выходу датчика напряжения 4 нагрузку. В этом состоянии усилитель мощности осуществляет управление нагрузкой под действием входного сигнала. В случае несовпадения сигналов на первом и втором входах схемы «И» 5 по знаку и величине (это характерно для неисправного усилителя мощности) на выходе схемы «И» 5 появляется сигнал, по которому переключается сигнал на выходе схемы «НЕ» 6 и затем на выходе второго триггера Шмитта 8, а значит и на управляющем входе второго коммутатора 9. После этого второй коммутатор 9 отключает силовое питание от усилителя мощности, тем самым запрещая его работу как не прошедшего диагностику.This power amplifier contains (Fig. 1) a driver of control signals 1, the input of which receives the “Start” signal, and the output through the normally closed contact of the first switch 2 is connected to the input of the power amplifier 3. An input signal is supplied to the normally open contact of the first switch 2. The output of the power amplifier 3 through the voltage sensor 4 and a normally closed contact of the power switch 10 is connected to a ballast resistor 11. A load (an executive motor) is connected to the normally open contact of the power switch 10. The power amplifier contains an AND circuit 5, the first input of which is connected to the output of the first switch 2, the second input is connected to the output of the voltage sensor 4, and the output is connected to the input of the NOT circuit 6 and the input of the first Schmitt trigger 7. The output of the first Schmitt trigger 7 connected to the control inputs of the first switch 2 and the power switch 10. The output of the circuit "NOT" 6 is connected to the input of the second Schmitt trigger 8. Also, the power amplifier contains a second switch 9, through a normally closed contact of which the power supply is supplied to the second input of the power amplifier 3. The divisor output of the second Schmitt trigger 8 is connected to the control input of the second switch 9. Diagnosis serviceable condition of the power section of the power amplifier before supplying the power supply to the actuating motor is carried out as follows. According to the “Start” signal, the shaper of control signals 1 generates a stimulating signal packet consisting of two bipolar pulses of a duration of the order of two seconds each. This package of stimulating signals through the normally closed contact of the first switch 2, power amplifier 3, the voltage sensor 4 and the normally closed contact of the power switch 10 is supplied to the ballast resistor 11. The ballast resistor 11 is used to diagnose the healthy state of the power part of the power amplifier so that the stimulating signals did not move the load of the power amplifier during the diagnostic process. The value of the ballast resistor 11 is selected so that the output current of the power amplifier 3 does not exceed the permissible values for its active elements. At the same time, from the output of the first switch 2, the stimulating signal packet arrives at the first input of the I circuit 5. The second input of the I circuit 5 receives signals from the output of the voltage sensor 4. The I circuit 5 is constructed in such a way that when the signals coincide at the first and the second inputs of the And circuit 5 in sign and size (this is typical for a working power amplifier), an output appears at the output of the And circuit 5, switching the first Schmitt trigger 7 to a state that switches the first switch 2 and power switch 10. After this first to mmutator 2 connects to the input of the power amplifier 3, the input signal, and a power switch 10 connects the output voltage to the load sensor 4. In this state, the power amplifier controls the load under the influence of the input signal. If the signals at the first and second inputs of the “And” 5 circuit do not match in sign and size (this is typical for a faulty power amplifier), a signal appears at the output of the “And” 5 circuit, by which the signal is switched at the output of the “NOT” circuit 6 and then to the output of the second Schmitt trigger 8, and hence at the control input of the second switch 9. After that, the second switch 9 disconnects the power supply from the power amplifier, thereby prohibiting its operation as not passed diagnostics.

К недостатку данного усилителя мощности относятся проблемы с обеспечением диагностики исправного состояния силовой части усилителя мощности перед подачей силового питания на исполнительный электродвигатель, а именно с необходимостью использования в процессе диагностики силового коммутатора 10, который выбирается по мощности, обеспечивающей пропускание тока нагрузки в течение всего времени работы усилителя мощности. Наличие постоянно включенного силового коммутатора 10 снижает общую надежность работы усилителя мощности и увеличивает его электропотребление.The disadvantage of this power amplifier is the problem of diagnosing the operational state of the power amplifier’s power section before applying power to the actuator, namely, the need to use a power switch 10 in the diagnostic process, which is selected according to the power that ensures the transmission of the load current throughout the entire operating time power amplifier. The presence of a constantly on power switch 10 reduces the overall reliability of the power amplifier and increases its power consumption.

Изобретение направлено на повышение одной из основных технических характеристик, а именно надежности усилителя мощности, а также на снижение общего энергопотребления.The invention is aimed at improving one of the main technical characteristics, namely the reliability of a power amplifier, as well as reducing overall energy consumption.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в усилитель мощности, содержащий формирователь управляющих сигналов, на вход которого поступает сигнал «Пуск», последовательно соединенные первый коммутатор, силовой усилитель и датчик напряжения, выход которого соединен с нагрузкой, причем разомкнутый контакт первого коммутатора соединен с источником входного сигнала, схему «И», первый вход которой соединен с выходом первого коммутатора, второй вход соединен с выходом датчика напряжения, выход схемы «И» соединен с входом схемы «НЕ» и входом первого триггера Шмитта, выход первого триггера Шмитта соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход схемы «НЕ» соединен с входом второго триггера Шмитта, а также второй коммутатор, через нормально замкнутый контакт которого силовое питание поступает на второй вход силового усилителя, а выход второго триггера Шмитта соединен с управляющим входом второго коммутатора, введен дискриминатор, вход которого соединен с выходом формирователя управляющих сигналов, а выход - с замкнутым контактом первого коммутатора.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the power amplifier containing the driver of control signals, the input of which receives the “Start” signal, is connected in series to the first switch, a power amplifier and a voltage sensor, the output of which is connected to the load, and the open contact of the first switch is connected with an input source, an “I” circuit, the first input of which is connected to the output of the first switch, the second input is connected to the output of the voltage sensor, the output of the “And” circuit is connected to input by the circuit of the “NOT” circuit and the input of the first Schmitt trigger, the output of the first Schmitt trigger is connected to the control input of the first switch, the output of the circuit “NOT” is connected to the input of the second Schmitt trigger, as well as the second switch, through a normally closed contact of which power is supplied to the second input power amplifier, and the output of the second Schmitt trigger is connected to the control input of the second switch, a discriminator is introduced, the input of which is connected to the output of the driver of control signals, and the output is with a closed contact of the first comm Tatorey.

Материалы заявки поясняются фигурами, где представлены:The application materials are illustrated by figures, which represent:

на фиг. 1 - блок-схема усилителя мощности, принятого за прототип;in FIG. 1 is a block diagram of a power amplifier adopted as a prototype;

на фиг. 2 - блок-схема предлагаемого усилителя мощности.in FIG. 2 is a block diagram of a proposed power amplifier.

Предлагаемый усилитель мощности (фиг. 2) содержит формирователь управляющих сигналов 1, на вход которого поступает сигнал «Пуск» и последовательно соединенные первый коммутатор 2, силовой усилитель 3, выход которого через датчик напряжения 4 соединен с нагрузкой. На разомкнутый контакт первого коммутатора 2 поступает входной сигнал. Усилитель мощности также содержит схему «И» 5, первый вход которой соединен с выходом первого коммутатора 2, второй вход соединен с выходом датчика напряжения 4, выход схемы «И» 5 соединен с входом схемы «НЕ» 6 и входом первого триггера Шмитта 7, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора 2. Выход схемы «НЕ» 6 соединен с входом второго триггера Шмитта 8, выход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора 9, через нормально замкнутый контакт которого силовое питание поступает на второй вход силового усилителя 3. Усилитель мощности содержит дискриминатор 10, вход которого соединен с выходом формирователя управляющих сигналов 1, а выход - с замкнутым контактом первого коммутатора 2.The proposed power amplifier (Fig. 2) contains a driver of control signals 1, the input of which receives the “Start” signal and the first switch 2 connected in series, a power amplifier 3, the output of which is connected to the load through a voltage sensor 4. To the open contact of the first switch 2 receives the input signal. The power amplifier also contains an AND circuit 5, the first input of which is connected to the output of the first switch 2, the second input is connected to the output of the voltage sensor 4, the output of the AND circuit 5 is connected to the input of the NOT circuit 6 and the input of the first Schmitt trigger 7, the output of which is connected to the control input of the first switch 2. The output of the NOT circuit 6 is connected to the input of the second Schmitt trigger 8, the output of which is connected to the control input of the second switch 9, through a normally closed contact of which the power supply is supplied to the second input of the power amplifier 3. The power amplifier contains a discriminator 10, the input of which is connected to the output of the driver of control signals 1, and the output is with a closed contact of the first switch 2.

Предлагаемый усилитель мощности работает следующим образом. Необходимый для управления нагрузкой входной сигнал поступает на разомкнутый контакт первого коммутатора 2. Для организации начала работы усилителя мощности на вход формирователя управляющих сигналов 1 поступает сигнал «Пуск», по которому формирователь управляющих сигналов 1 формирует пакет стимулирующих сигналов, состоящий из двух разнополярных импульсов. Эти импульсы поступают на вход дискриминатора 10, который минимизирует их длительность до величины порядка 6 мс. Затем эти импульсы через нормально замкнутый контакт первого коммутатора 2, силовой усилитель 3 и датчик напряжения 4 поступают на нагрузку. В исправном усилителе мощности на выходе датчика напряжения 4 под действием стимулирующих сигналов формируются выходные сигналы, соответствующие по фазе и амплитуде стимулирующим сигналам. Стимулирующие сигналы поступают на первый вход схемы «И» 5. На второй вход схемы «И» 5 поступают сигналы с выхода датчика напряжения 4. Схема «И» 5 построена таким образом, что при совпадении сигналов на первом и втором входах схемы «И» 5 по знаку и величине (это характерно для исправного усилителя мощности) на выходе схемы «И» 5 появляется сигнал, переключающий первый триггер Шмитта 7 в состояние, обеспечивающее переключение первого коммутатора 2. После этого первый коммутатор 2 подключает к входу силового усилителя 3 входной сигнал. В этом состоянии усилитель мощности осуществляет управление нагрузкой под действием входного сигнала. В случае несовпадения сигналов на первом и втором входах схемы «И» 5 по знаку и величине (это характерно для неисправного усилителя мощности) на выходе схемы «И» 5 появляется сигнал, по которому переключается сигнал на выходе схемы «НЕ» 6 и затем на выходе второго триггера Шмитта 8, а значит и на управляющем входе второго коммутатора 9. После этого второй коммутатор 9 отключает силовое питание от усилителя мощности, тем самым запрещая его работу как не прошедшего диагностику.The proposed power amplifier operates as follows. The input signal necessary to control the load is fed to the open contact of the first switch 2. To organize the start of operation of the power amplifier, the “Start” signal is received at the input of the control signal shaper 1, by which the control signal shaper 1 forms a stimulating signal packet consisting of two unipolar pulses. These pulses are fed to the input of discriminator 10, which minimizes their duration to a value of the order of 6 ms. Then these pulses through the normally closed contact of the first switch 2, the power amplifier 3 and the voltage sensor 4 are supplied to the load. In a working power amplifier at the output of the voltage sensor 4, under the influence of stimulating signals, output signals are generated that correspond to the phase and amplitude of the stimulating signals. Stimulating signals are fed to the first input of the I circuit 5. The second input of the I circuit 5 receives signals from the output of the voltage sensor 4. The I circuit 5 is constructed so that when the signals coincide at the first and second inputs of the I circuit 5 in sign and magnitude (this is characteristic of a working power amplifier), an signal appears at the output of circuit “I” 5, which switches the first Schmitt trigger 7 to a state that switches the first switch 2. After that, the first switch 2 connects an input signal to the input of the power amplifier 3 . In this state, the power amplifier controls the load under the influence of the input signal. If the signals at the first and second inputs of the “And” 5 circuit do not match in sign and size (this is typical for a faulty power amplifier), a signal appears at the output of the “And” 5 circuit, by which the signal is switched at the output of the circuit “NOT” 6 and then the output of the second Schmitt trigger 8, and therefore at the control input of the second switch 9. After that, the second switch 9 disconnects the power supply from the power amplifier, thereby prohibiting its operation as not passed diagnostics.

Таким образом, предлагаемая структура усилителя мощности обеспечивает диагностику исправного состояния силовой части усилителя мощности перед подачей силового питания на нагрузку (исполнительный электродвигатель) за счет исключения из состава усилителя мощности силового коммутатора и введения в его состав дискриминатора, тем самым повышая надежность и снижая общее энергопотребление усилителя мощности.Thus, the proposed structure of the power amplifier provides diagnostics of the operational state of the power part of the power amplifier before applying power to the load (executive electric motor) by eliminating the power switch from the power amplifier and introducing a discriminator into its composition, thereby increasing reliability and reducing the overall power consumption of the amplifier power.

Предлагаемое техническое решение проверено математическим моделированием, а также экспериментальной проверкой макетного образца усилителя мощности. Результаты проверок подтвердили надежность функционирования усилителя мощности и снижение общего энергопотребления усилителя мощности. По результатам экспериментальных исследований предлагаемое техническое решение рекомендовано к использованию в документации модернизированного усилителя мощности.The proposed technical solution was verified by mathematical modeling, as well as by experimental verification of a prototype power amplifier. The results of the tests confirmed the reliability of the power amplifier and the reduction in the total power consumption of the power amplifier. According to the results of experimental studies, the proposed technical solution is recommended for use in the documentation of a modernized power amplifier.

Claims

Усилитель мощности, содержащий формирователь управляющих сигналов, на вход которого поступает сигнал «Пуск», последовательно соединенные первый коммутатор, силовой усилитель, датчик напряжения, выход которого соединен с нагрузкой, а разомкнутый контакт первого коммутатора соединен с источником входного сигнала, схему «И», первый вход которой соединен с выходом первого коммутатора, второй вход соединен с выходом датчика напряжения, выход схемы «И» соединен с входом схемы «НЕ» и входом первого триггера Шмитта, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход схемы «НЕ» соединен с входом второго триггера Шмитта, выход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, через нормально замкнутый контакт которого силовое питание поступает на второй вход силового усилителя, отличающийся тем, что в него введен дискриминатор, вход которого соединен с выходом формирователя управляющих сигналов, а выход - с замкнутым контактом первого коммутатора.A power amplifier containing a driver of control signals, the input of which is the “Start” signal, a first switch, a power amplifier, a voltage sensor, the output of which is connected to the load, and the open contact of the first switch is connected to the input signal source, circuit “I”, the first input of which is connected to the output of the first switch, the second input is connected to the output of the voltage sensor, the output of the "AND" circuit is connected to the input of the circuit "NOT" and the input of the first Schmitt trigger, the output of which is connected to the control input of the first switch, the output of the circuit “NOT” is connected to the input of the second Schmitt trigger, the output of which is connected to the control input of the second switch, through a normally closed contact of which the power supply is supplied to the second input of the power amplifier, characterized in that a discriminator is input into it which is connected to the output of the driver of control signals, and the output is with a closed contact of the first switch.