УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОГЛАСОВАНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ СИНХРОННО-ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам автоматического фазирования синхронизированных электроприводов с фазовой автоподстройкой частоты вращения, и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации, например в приводе устройств видеозаписи и сканирующих систем.
Известно устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока (АС RU №1612368, опубл. 07.12.1990), содержащее последовательно соединенные генератор опорной частоты вращения, управляемый ключ и блок фазовой автоподстройки частоты с импульсными датчиками частоты и углового положения, а также генератор опорной частоты фазирования, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, блок управления фазированием, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты вращения, второй и четвертый входы подключены соответственно к выходам импульсных датчиков частоты и углового положения, третий вход соединен с выходом генератора опорной частоты фазирования, а третий выход подключен к управляющему входу управляемого ключа, импульсный частотно-фазовый дискриминатор и последовательно включенные блок коррекции, интегратор и управляемый генератор, выходом соединенный с вторым входом управляемого ключа, два делителя частоты и два логических элемента ИЛИ-НЕ, вход первого делителя частоты подключен к выходу управляемого генератора, вход второго делителя частоты подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, выходы делителей частоты соединены с соответствующими входами импульсного частотно-фазового дискриминатора, выход которого подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления фазированием, второй выход которого соединен с вторым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ, выход первого логического элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу второго логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с входом блока коррекции.
см
ос
оп
оп
ос
Недостатками данного устройства является низкое быстродействие электропривода при отработке угловых рассогласований за счет нарушения алгоритма работы в случае отличия модулей значений ускорения в режимах разгона и торможения электропривода, обусловленного наличием напряжения смещения u на входе интегратора, приводящего к тому, что в момент отработки угловой ошибки (Δα=0) частота на выходе ФАПЧ, а следовательно и частота ƒ, отличаются от частоты ƒ; к тому же в этот момент значение фазового рассогласования частот ƒ и ƒ может быть произвольным. Ненулевые начальные условия по Δω и Δα в момент подключения контура ФАПЧВ к ЧЗБ приводят к выходу электропривода из пропорционального режима работы. В этом случае для завершения фазирования требуется повторная синхронизация и повторение процесса фазирования, причем основное время тратится на синхронизацию.
Наиболее близким техническим решением является устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока  (Патент RU №145048, опубл. 10.09.2014 г.), содержащее последовательно соединенные генератор опорной частоты вращения, управляемый ключ и блок фазовой автоподстройки частоты с импульсными датчиками частоты и углового положения, а также генератор опорной частоты фазирования, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, блок управления фазированием, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты вращения, второй и четвертый входы подключены соответственно к выходам импульсных датчиков частоты и углового положения, третий вход соединен с выходом генератора опорной частоты фазирования, а третий выход подключен к управляющему входу управляемого ключа, импульсный частотно-фазовый дискриминатор и последовательно включенные блок коррекции, интегратор и управляемый генератор, выходом соединенный с вторым входом управляемого ключа, два делителя частоты и два логического элемента ИЛИ-НЕ, вход первого делителя частоты подключен к выходу управляемого генератора, вход второго делителя частоты подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, выходы делителей частоты соединены с соответствующими входами импульсного частотно-фазового дискриминатора, первый выход которого подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления фазированием, второй выход которого соединен с вторым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ, выход первого логического элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу второго логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с входом блока коррекции, второй выход импульсного частотно-фазового дискриминатора подключен к пятому входу блока управления фазированием, а шестой вход которого подключен ко второму выходу блока фазовой автоподстройки частоты вращения.
Недостатком такого устройства является ненадежная работа фазирующего регулятора, обусловленная низким темпом изменения частоты управляемого генератора в режимах разгона и торможения синхронно-синфазного электропривода, что приводит к отсутствию синхронизации дополнительного контура фазовой автоподстройки частоты в момент начала фазирования электропривода и, следовательно, к нарушению алгоритма фазирования.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы электропривода в режимах фазирования.
Данный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока, содержащем последовательно соединенные генератор опорной частоты вращения, управляемый ключ и блок фазовой автоподстройки частоты вращения с импульсными датчиками частоты и углового положения, а также генератор опорной частоты фазирования, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, блок управления фазированием, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты вращения и входом второго делителя частоты, третий вход соединен с выходом генератора опорной частоты фазирования, второй и четвертый входы подключены соответственно к выходам импульсных датчиков частоты и углового положения, шестой вход подключен к выходу блока фазовой автоподстройки частоты вращения, а пятый вход подключен ко второму выходу импульсного частотно-фазового дискриминатора, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго делителей частоты, а первый выход подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу второго логического элемента ИЛИ-НЕ, вторые входы первого и второго логических элементов ИЛИ-НЕ подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления фазированием, третий выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, второй вход управляемого ключа подключен ко входу первого делителя частоты и к выходу управляемого генератора, выход второго логического элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу блока коррекции, выход которого подключен ко входу интегратора, выход которого подключен ко входу управляемого генератора, согласно заявляемому техническому решению третий выход блока управления фазированием подключен ко второму входу блока коррекции, а блок коррекции содержит последовательно соединенные пропорционально-дифференциальный регулятор и управляемый нелинейный элемент, второй вход которого является вторым входом блока коррекции, а выход - выходом блока коррекции, вход пропорционально-дифференциального регулятора является первым входом блока коррекции.
Сущность технического решения пояснена чертежами, где на фиг. 1, приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - функциональная электрическая схема блока коррекции, на фиг. 3 - передаточная характеристика нелинейного элемента.
Устройство для согласования углового положения синхронно-вращающихся валов электродвигателей постоянного тока содержит генератор опорной частоты вращения 1, управляемый ключ 2, блок фазовой автоподстройки частоты 3 с импульсными датчиками частоты 4 и углового положения 5, генератор опорной частоты фазирования 6, блок управления фазированием 7, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 8, блок коррекции 9, интегратор 10, управляемый генератор 11, два делителя частоты 12, 13, два элемента ИЛИ-НЕ 14, 15. Блок коррекции содержит пропорционально-дифференциальный регулятор 16 и нелинейный элемент 17.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока, содержащем последовательно соединенные генератор опорной частоты вращения 1, управляемый ключ 2 и блок фазовой автоподстройки частоты вращения 3 с импульсными датчиками частоты 4 и углового положения 5, а также генератор опорной частоты фазирования 6, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты вращения 1, блок управления фазированием 7, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты вращения 1 и входом второго делителя частоты 13, третий вход соединен с выходом генератора опорной частоты фазирования 6, второй и четвертый входы подключены соответственно к выходам импульсных датчиков частоты 4 и углового положения 5, шестой вход подключен к выходу блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3, а пятый вход - ко второму выходу импульсного частотно-фазового дискриминатора 8, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго делителей частоты 12, 13, а первый выход подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ-НЕ 14, выход которого подключен к первому входу второго логического элемента ИЛИ-НЕ 15, вторые входы первого и второго логических элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления фазированием 7, третий выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа 2 и ко второму входу блока коррекции 9, второй вход управляемого ключа 2 подключен ко входу первого делителя частоты 12 и к выходу управляемого генератора 11, выход второго логического элемента ИЛИ-НЕ 15 подключен к первому входу блока коррекции 9, выход которого подключен ко входу интегратора 10, выход которого подключен ко входу управляемого генератора 11, блок коррекции 9 содержит последовательно соединенные пропорционально-дифференциальный регулятор 16 и управляемый нелинейный элемент 17, второй вход которого является вторым входом блока коррекции 9, а выход управляемого нелинейного элемент 17 - выходом блока коррекции 9, вход пропорционально-дифференциального регулятора 16 является первым входом блока коррекции 9.
Устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока работает следующим образом:
оп
оп
Генератор опорной частоты вращения ГОЧВ 1 и генератор опорной частоты фазирования ГОЧФ 6 служат для формирования импульсов ƒ и F опорных частот.
оп
Генератор опорной частоты вращения 1 служит для формирования опорной частоты ƒ, определяющей частоту вращения электропривода.
Генератор опорной частоты фазирования 6 служит для формирования импульсов угловой привязки, определяющих начало строки сканирования обзорно-поисковой системы.
Два делителя частоты 12, 13, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 8, два логических элемента ИЛИ-НЕ 14, 15, блок коррекции 9, интегратор 10, управляемый генератор 11 образуют дополнительный контур фазовой автоподстройки частоты.
оп
Делители частоты 12, 13 служат для деления входной частоты и частоты следования импульсов обратной связи на два с целью получения на выходе контура ФАПЧ импульсов с нулевым фазовым сдвигом относительно импульсов ƒ.
Импульсный частотно-фазовый дискриминатор 8 служит для сравнения частот и фаз входных частотных сигналов.
Логические элементы ИЛИ-НЕ 14 и 15 реализуют логическую функцию (Δα+Р)Т, где Δα - выходной сигнал дискриминатора, и служат для блокировки выходного сигнала дискриминатора 8, т.е. для размыкания контура фазовой автоподстройки частоты с целью формирования линейно изменяющейся частоты на выходе управляющего генератора 11 в режиме фазирования.
Блок коррекции 9 служит для обеспечения устойчивости работы контура фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора 11 и может быть выполнен в виде последовательно соединенных пропорционально-дифференциального регулятора и управляемого нелинейного элемента (Фиг. 2), обеспечивающего различные уровни ограничения выходного сигнала корректирующего устройства (Фиг. 3), и может быть выполнен в виде линейного усилителя, в котором уровень насыщения задается сигналом Ф и может быть реализован с помощью использования дополнительных стабилизирующих элементов.
Интегратор 10 служит для формирования линейно-изменяющегося напряжения на входе управляемого генератора 11 при наличии сигналов разгона (Р) или торможения (Т) контура фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора 11.
Управляемый генератор 11 служит для формирования импульсов с заданной частотой следования, определяемой входным напряжением.
Управляемый ключ 2 служит для передачи на выход одного из входных сигналов в соответствии с управляющим сигналом Ф.
Контур ФАПЧВ 3 служит для стабилизации частоты вращения электропривода на основе принципа ФАПЧ.
ОС
Импульсный датчик частоты вращения 4 служит для формирования требуемого количества импульсов частоты ƒ за оборот вала электродвигателя.
ОС
Импульсный датчик углового положения 5 служит для формирования определенного количества импульсов положения F за оборот вала электродвигателя.
оп
ос
Блок управления фазированием 7 служит для формирования управляющих сигналов (Р, Т) контуром фазовой автоподстройки частоты и сигнала Ф, управляющим управляемым ключом 2, в зависимости от фазового рассогласования импульсов с выхода генератора опорной частоты фазирования 6 (F) и импульсного датчика углового положения 5 (F). Сигналы Р, Т, Ф управляют процессом фазирования.
При разгоне электродвигателя до синхронной частоты вращения управляющие сигналы на выходе блока управления фазированием 7 отсутствуют.
оп
При этом на вход блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3 поступает выходной сигнал генератора опорной частоты 1 через управляемый ключ 2, определяя разгон электродвигателя до синхронной скорости. В это же время на выходе управляемого генератора 11 частота следования импульсов повышается до тех пор, пока не сравняется с частотой ƒ с выхода генератора опорной частоты 1.
ос
Для надежной работы электропривода в режиме фазирования необходимо, чтобы темп изменения частоты следования импульсов управляемого генератора 11 в режимах разгона и торможения БФАПЧВ 3 превышал темп изменения частоты следования импульсов ƒ на выходе БФАПЧВ 3. Поэтому в электроприводе обеспечивается возможность изменения уровня насыщения нелинейного элемента 17 блока коррекции 9 по сигналу Ф с третьего выхода блока управления фазированием 7. В режимах разгона и торможения электропривода уровень насыщения задается большим, чем в режиме фазирования, для обеспечения большего темпа изменения частоты следования выходных импульсов управляемого генератора 11 за счет увеличения входного напряжения интегратора 10 и соответственно увеличения темпа изменения выходного сигнала интегратора 10.
При вхождении импульсного частотно-фазового дискриминатора 8 в режим фазового сравнения импульсы на его входах в установившемся режиме оказываются сдвинутыми на 180°, а импульсы на входах делителей 12 и 13 частоты на два не имеют фазового сдвига, что позволяет исключить скачок фазовой ошибки на 180° в блоке фазовой автоподстройки частоты вращения при переходе в режим фазирования.
оп
ос
0
После синхронизации электропривода на выходе блока ФАПЧВ появляется сигнал П, в блоке управления фазированием 7 определяется фазовое рассогласование импульсов частот F и F на выходах генератора опорной частоты фазирования 6 и импульсного датчика углового положения 5 соответственно, которое пропорционально угловой ошибке электропривода Δα. При наличии углового рассогласования, превышающего зону нечувствительности, запускается режим фазирования и на третьем выходе блока управления фазированием 7 появляется высокий уровень сигнала Ф, поступающий на второй вход блока коррекции 9 и уменьшающий уровень насыщения нелинейного элемента 17, в результате чего темп изменения частоты следования импульсов управляемого генератора 11 снижается до требуемого.
оп
В результате в режиме фазирования блок ФАПЧВ 3 отрабатывает линейно нарастающую (убывающую) частоту задания с выхода управляемого генератора 11 без размыкания контура ФАПЧВ, что позволяет обеспечить равные по модулю ускорения электропривода в режимах разгона и торможения, не зависящие от момента нагрузки на валу электродвигателя. Таким образом, в режиме фазирования линейно изменяющийся выходной сигнал управляемого генератора 11 определяет ускорение электропривода меньше максимального на 10-15%, а в режимах разгона и торможения электропривода темп изменения выходного сигнала управляемого генератора 11 превышает максимальное ускорение электропривода (на 10-15%), чтобы обеспечить опережающую отработку контуром ФАПЧ изменений сигнала ƒ.
уг
оп
На управляющий вход управляемого ключа 2 поступает сигнал Ф с блока управления фазированием 7 и на вход блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3 начинают поступать импульсы с управляемого генератора 11. Одновременно на первом выходе блока управления фазированием 7 появляется сигнал разгона Р, обеспечивающий линейное нарастание выходного сигнала интегратора 10 и соответственно частоты управляемого генератора 11 по закону ƒ=ƒ+Kt, где K - добротность разомкнутого контура фазовой автоподстройки частоты в режиме фазирования, t=0 в момент начала фазирования.
0
Добротность K задается меньше добротности блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3, чтобы обеспечить обработку начального углового рассогласования Δα в режиме фазирования без выхода блока 3 в режимы насыщения.
Режим разгона электропривода с постоянным ускорением продолжается до тех пор, пока начальное угловое рассогласование не уменьшится в два раза. В этот момент сигнал Р (разгон) становится равным 0 и появляется управляющий сигнал Т (торможение), что приводит к изменению направления интегрирования интегратора 10.
уг
р
р
р
р
Частота выходного сигнала управляемого генератора 11 изменяется при этом по закону ƒ=ƒ(t)-K(t-t), где f(t) - значение, достигнутое частотой управляемого генератора 11 в процессе разгона электропривода в момент окончания процесса разгона t.
оп
Окончание процесса фазирования определяется моментом появления сигнала П' на выходе ИЧФД 8 (после синхронизации контура ФАПЧ). При этом выходные сигналы блока управления фазированием 7 становятся равными 0 и на вход блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3 через управляемый ключ 2 начинает поступать частота f с генератора опорной частоты вращения 1.
оп
оп
Так как импульсы частоты с выхода управляемого генератора 11 в пропорциональном режиме работы контура ФАПЧ совпадают с импульсами частоты ƒ, то переключение блока ФАПЧВ на задающую частоту ƒ происходит без выхода блока ФАПЧВ 3 в режим насыщения. В результате не требуется повторная синхронизация блока ФАПЧВ 3 после окончания процесса фазирования.
Для устранения нарушений алгоритма работы электропривода в режиме фазирования установка низких уровней сигналов Р, Т и Ф осуществляется по сигналу П', соответствующему синхронному режиму работы контура ФАПЧ. В этом случае контур ФАПЧВ подключается к ГОВЧ 1 с нулевыми начальными условиями по Δω.
см
При неполной отработке начального углового рассогласования из-за наличия напряжения смещения u интегратора 10 процесс фазирования повторяется, но уже при малом значении Δα, которое легко отрабатывается за 1-2 цикла.
оп
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность работы электропривода за счет использования сигнала Ф для изменения уровня насыщения нелинейного элемента 17, что позволило в режимах разгона и торможения электропривода обеспечить опережающую отработку контуром ФАПЧ изменений частоты задания ƒ по сравнению с контуром ФАПЧВ.