СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
STABILISED ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации, а также в обзорно-поисковых и сканирующих системах.
4
Известно устройство для стабилизации скорости вращения ротора электродвигателя постоянного тока (а.с. СССР №1280685, МКИ Н02Р 5/06, 1986 г.), содержащее электродвигатель постоянного тока, подключенный к выходу усилителя мощности, датчик частоты вращения двигателя, задающий генератор, соединенный с входом программируемого делителя частоты и первым входом преобразователя период-код, второй вход которого также является входом второго формирователя коротких импульсов и подключен к выходу датчика частоты вращения, первый формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к выходу программируемого делителя частоты, а выход ко второму входу первого элемента И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента И-НЕ, входы которого через инверторы подключены к выходам реверсивного счетчика, одновременно подключенным к входам третьего элемента И-HE, выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу второго формирователя коротких импульсов, а выход соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подключен к выходу первого элемента И-НЕ, а установочный вход которого через одновибратор подключен ко второму выходу устройства сравнения, первый информационный вход которого подключен к первому выходу преобразователя период-код, а второй информационный вход является информационным входом программируемого делителя частоты и подключен к выходу блока формирования кода периода задания, ключ, первый вход которого подключен к первому выходу устройства сравнения, второй вход является вторым входом четвертого элемента И-НЕ, а выход подключен к входу усилителя мощности.
Недостатками этого устройства являются:
1) Пульсация скорости вращения электропривода во время поддержания заданной скорости в связи с применением релейного режима работы.
2) Необходимость применения преобразователя период-код и устройства сравнения высокой точности и быстродействия.
5
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является стабилизированный электропривод (а.с. СССР №1624649, МКИ Н02Р 5/06, 1991 г.), содержащий электродвигатель, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения, блок задания частоты, последовательно соединенные импульсный частотно-фазовый дискриминатор, статический преобразователь, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя, два формирователя коротких импульсов и последовательно соединенные блок сравнения частот и одновибратор, выход которого подключен к третьему входу импульсного частотно-фазового дискриминатора, первый и второй входы которого через формирователи коротких импульсов подключены соответственно к выходам блока задания частоты и импульсного датчика частоты вращения, первый и второй входы блока сравнения частот подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей коротких импульсов, а блок сравнения частот выполнен в виде схемы И, схемы ИЛИ-НЕ и двух счетчиков импульсов, причем первый и второй входы схемы И объединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ-НЕ и являются соответственно первым и вторым входами блока сравнения частот, выход схемы И подключен к синхровходу первого счетчика импульсов и входу нулевой установки второго счетчика импульсов, синхровход которого подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ, а выход - к входу нулевой установки первого счетчика импульсов, выход которого является выходом блока сравнения частот.
з
Недостатком этого устройства является узкий диапазон регулирования, связанный с зависимостью области начальных условий по Δω в момент опережающей разблокировки от заданной частоты вращения ω.
on
oc
on
ос
При повторном наложении во времени импульсов f f их периоды отличаются друг от друга на величину, не превышающую τ+τ (длительность импульсов сигналов опорной частоты и частоты обратной связи), то есть
on
on
ос
oc
on
on
ос
T+(τ+τ)>T>T-(τ+τ).
Для обратных величин можно записать
или
on
ос
on
где σ=(τ+τ)/T.
После преобразования получаем
При использовании формирователей коротких импульсов σ<<1, тогда
on
oc
on
f+Δf>f>f-Δf,
on
где Δf≈fσ.
з
on
0
0
Тогда с учетом того, что ω=fφ, где φ=2π/z, z - количество меток ИДЧ, выражение примет вид
З
0
з
0
ω+Δω>ω>ω-Δω,
0
З
где Δω≈ωσ - максимальное отклонение угловой скорости электропривода от заданной в момент опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения.
к
Выражение для фактического отклонения угловой скорости Δω электропривода от заданной в момент выполнения опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения может быть представлено в виде:
Область начальных условий для организации опережающей разблокировки ИЧФД целесообразно выбирать из условия  (Бубнов А.В. Вопросы теории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока: монография. - Омск: Редакция журнала «Омский научный вестник», 2005. - 190 с., 39 с., 94 с.), чего можно достигнуть только на одной скорости вращения электропривода:
Задачей изобретения является расширение диапазона рабочих частот вращения стабилизированного электропривода.
Известный стабилизированный электропривод содержит электродвигатель, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения, блок задания частоты, последовательно соединенные импульсный частотно-фазовый дискриминатор и статический преобразователь, два формирователя коротких импульсов и последовательно соединенные блок сравнения частот и одновибратор, выход которого подключен к третьему входу импульсного частотно-фазового дискриминатора. Первый и второй входы импульсного частотно-фазового дискриминатора через формирователи коротких импульсов подключены соответственно к выходам блока задания частоты и импульсного датчика частоты вращения. Выход статического преобразователя подключен к якорной обмотке электродвигателя. Первый и второй входы блока сравнения частот подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей коротких импульсов. Блок сравнения частот выполнен в виде схемы И, схемы ИЛИ-НЕ и двух счетчиков импульсов, в котором первый и второй входы схемы И объединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ-НЕ и являются соответственно первым и вторым входами блока сравнения частот. Синхровход второго счетчика импульсов подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ, а выход подключен к входу нулевой установки первого счетчика импульсов.
Поставленная задача решена за счет того, что в блок сравнения частот введены вторая схема И, схема сравнения, регистр, преобразователь период-код, два преобразователя длительность-код, вычислительное устройство и RS-триггер, вход S которого подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ, а R-вход которого объединен со вторым входом второй схемы И и подключен к выходу первой схемы И. Выход RS-триггера подключен к первому входу второй схемы И, выход которой подключен одновременно к R-входу нулевой установки второго счетчика импульсов и к синхровходу С первого счетчика импульсов, выходы которого подключены к входам D регистра. Синхровход регистра подключен к выходу Q2 второго счетчика импульсов. Выходы Q регистра подключены к первым входам вычислительного устройства. Остальные входы вычислительного устройства подключены через преобразователь период-код и через преобразователь длительность-код к первому входу блока сравнения частот и через преобразователь длительность-код к второму входу блока сравнения частот. Выход вычислительного устройства подключен к входу схемы сравнения, вход которого является выходом блока сравнения частот.
Сущность технического решения пояснена чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - фазовый портрет работы предлагаемого устройства на участке разгона, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Стабилизированный электропривод содержит блок задания частоты 1, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 2, статический преобразователь 3, электродвигатель 4, импульсный датчик частоты вращения 5, формирователи импульсов 6 и 7, блок сравнения частот 8, одновибратор 9. Блок сравнения частот 8 выполнен в виде двух схем И 10 и 15, схемы ИЛИ-НЕ 11, двух счетчиков импульсов 12 и 13, RS-триггера 14, регистра 16, преобразователя период-код 17, двух преобразователей длительность-код 18 и 19, вычислительного устройства 20 и схемы сравнения 21.
on
on
oс
к
В устройстве последовательно соединены импульсный частотно-фазовый дискриминатор 2 и статический преобразователь 3, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя 4, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения 5. Выход блока сравнения частот 8 подключен к входу одновибратора 9, выход которого подключен к третьему входу импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. Первый вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 2, объединенный с первым входом блока сравнения частот 8, через формирователь импульсов 6 подключен к выходу блока задания частоты 1. Второй вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 2, объединенный с вторым входом блока сравнения частот 8, через формирователь импульсов 7 подключен к выходу импульсного датчика частоты вращения. Первый и второй входы первой схемы И 10 объединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ-НЕ 11 и являются соответственно первым и вторым входами блока сравнения частот 8. R-вход RS-тригтера 14 объединен со вторым входом второй схемы И 15 и подключен к выходу первой схемы И 10. S-вход RS-триггера 14 объединен с синхровходом С второго счетчика импульсов 13 и подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ 11. Выход RS-триггера 14 подключен к первому входу второй схемы И 15. Синхровход первого счетчика импульсов 12 объединен с входом нулевой установки второго счетчика импульсов 13 и подключен к выходу второй схемы И 15. Выход второго счетчика импульсов 13 подключен к синхровходу регистра 16 и к входу нулевой установки первого счетчика импульсов 12, выход которого подключен к входам D регистра 16. Выходы Q регистра 16 подключены к первым входам вычислительного устройства 20. На вторые входы вычислительного устройства 20 подается двоичный код T формируемый на выходе преобразователя период-код 17. На третьи входы вычислительного устройства 20 подается двоичный код τ, формируемый на выходе преобразователя длительность-код 18, вход которого объединен с входом преобразователя период-код 17 и является первым входом блока сравнения частот 8. На четвертые входы вычислительного устройства 20 подается двоичный код τ, формируемый на выходе преобразователя длительность-код 19, вход которого является вторым входом блока сравнения частот 8. С выходов вычислительного устройства двоичный код Δω подается на вход схемы сравнения 19, выход которой является выходом блока сравнения частот.
Стабилизированный электропривод работает следующим образом.
оп
оп
on
oc
При включении питания двигатель 4 начинает разгоняться до синхронной скорости. При этом с выхода блока задания частоты 1 на вход формирователя импульсов 6 подается импульсный сигнал с частотой f, пропорциональной заданной частоте вращения электродвигателя 4. На выходе формирователя импульсов 6 по переднему фронту импульса f формируется импульсный сигнал  длительностью τ. На входы ИЧФД 2 поступают сигнал задания,  с выхода формирователя импульсов 6, и сигнал обратной связи , поступающий с выхода импульсного датчика частоты вращения 5 через формирователь импульсов 7, формирующий импульс  по переднему фронту импульса f. При включении питания частота  значительно превышает частоту , что определяет высокий уровень сигнала на выходе дискриминатора 2, который, поступая на вход статического преобразователя 3, усиливающего и преобразующего управляющий сигнал в требуемый ток в обмотках электродвигателя 4, обеспечивает разгон электродвигателя 4 с максимальным ускорением.
r
вых
Блок сравнения частот 8 служит для определения момента времени, когда ошибка по угловой скорости Δω становится меньше Δω, и для формирования в этот момент времени сигнала f, который через одновибратор 9 осуществляет разблокировку импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 в пропорциональный режим работы. Одновибратор 9 служит для формирования импульса заданной длительности, исключающего возможность переключения дискриминатора 2 в режим насыщения сразу после его разблокировки при прохождении двух импульсов  между двумя импульсами  и обеспечивающего дальнейшую работу дискриминатора 2 в пропорциональном режиме по переднему фронту входного импульса.
Блок сравнения частот 8 работает следующим образом.
к
r
В блоке осуществляется подсчет количества повторяющихся совпадений во времени импульсов  и  между ситуациями, в которых два несовпадения этих импульсов не разделены импульсом совпадения. На основе полученного результата определяется ошибка по угловой скорости Δω и полученное значение сравнивается с заданным значением Δω.
c
к
Схема ИЛИ-НЕ 11 позволяет определить одновременное отсутствие на ее входах импульсов частот  и , в этом случае на ее выходе формируется импульс, поступающий на S-вход RS-триггера 14, на выходе которого устанавливается значение логической "1". С выхода RS-триггера 14 сигнал поступает на первый вход схемы И 15. Если в этот момент на ее второй вход также поступит импульс, приходящий с выхода схемы И 10 в момент совпадения импульсов частот  и , то на ее выходе формируется импульс сигнала . Сигнал с выхода схемы И 10 также поступает на R-вход RS-триггера 14 и сбрасывает его значение в "0". Если произойдет повторное совпадение импульсов частот  и  за время прохождения одного из этих импульсов, то установки RS-триггера 14 в "1" не произойдет и повторный импульс f не пройдет на выход схемы И 15. Таким образом RS-триггер 14 и схема И 15, в случае, если два и более импульса  проходит за время прохождения одного импульса , позволяют блокировать сигналы второго и последующих совпадений импульсов частот  и , формируемые на выходе блока 10. С выхода схемы И 15 сигналы подаются на синхровход С счетчика импульсов 12 и R-вход нулевой установки двухразрядного счетчика импульсов 13. Счетчик импульсов 12 осуществляет подсчет импульсов сигнала  с входа схемы И 15. Сброс счетчика 12 в состояние "0" осуществляется в момент появления на выходе двухразрядного счетчика импульсов 13 состояния "10" (значение логической "1" на выходе второго разряда). Счетчик 13 осуществляет подсчет импульсов с выхода схемы ИЛИ-НЕ 11. Начальная установка счетчика 13 осуществляется по импульсу с выхода схемы И 15. В результате счетчик импульсов 13 позволяет определить момент времени, когда заканчиваются повторяющиеся совпадения импульсов частот  и . В этот момент происходит запись значения N в регистр 16.
on
on
ос
Преобразователь период-код 17 преобразует импульсный сигнал  в двоичный код T, поступающий на входы вычислительного устройства 20. Преобразователь длительность-код 18 преобразует импульсный сигнал  в двоичный код τ, поступающий на входы вычислительного устройства 20. Преобразователь длительность-код 19 преобразует импульсный сигнал  в двоичный код τ, поступающий на вход вычислительного устройства 18.
Для определения выражения, задающего алгоритм работы
u
к
н
вычислительного устройства 20, рассмотрим временные диаграммы и фазовый портрет работы электропривода. Из них следует, что за время Δt=t-t значение угловой ошибки электропривода изменится на величину, равную
н
к
н
к
к
к
Обозначим значения ошибок по угловой скорости в моменты времени t и t как Δω и Δω. По полученному значению количества совпадений импульсов N предлагается определять значение ошибки Δω.
к
к
ос
on
Для нахождения зависимости Δω=f(N) рассмотрим работу ЭПФС в режиме насыщения при приближении частоты обратной связи f к опорной частоте f. Запишем систему уравнений для фазовых траекторий в координатах Δα и Δω фазовой плоскости:
3
где, α и α - заданное и фактическое угловое положения вала электродвигателя, ω - фактическая угловая скорость вала электродвигателя.
m
н
н
В режиме разгона электродвигателя с максимальным ускорением ε угловая скорость ω с момента времени t(ω) изменяется по закону
н
m
н
ω=ω+ε(t-t).
н
Для упрощения выводов примем t=0. Тогда
н
m
ω=ω+εt
и ошибка по угловой скорости электропривода может быть записана в виде
к
u
Для момента времени t получаем t=Δt, тогда выражение может быть переписано в виде
к
н
m
u
Δω=Δω-εt,
или
u
0
С учетом того, что на интервале времени Δt величина угловой ошибки изменяется на Δα, можно записать
или с учетом выражения (2)
н
к
Проведя замену Δω на Δω в соответствии с выражением (3), получаем:
u
к
oп
С учетом выражения (1) и того, что на интервале времени Δt пройдет N импульсов частоты f, т.е.
u
к
on
Δt=NT,
получим
или
к
к
r
к
r
вых
В вычислительном устройстве 20 значения Δω рассчитывается на основе выражения (5). Схема сравнения 21 осуществляет сравнение двоичного кода значения Δω, поступающего с вычислительного устройства 20, с двоичным кодом значения Δω. В том случае, если значение Δω станет меньше значения Δω, на выходе схемы сравнения 21 формируется импульс f, поступающий на вход одновибратора 9. На выходе одновибратора 9 формируется импульс, осуществляющий опережающую разблокировку ИЧФД 2.
Работа электропривода при переходе со скорости на скорость происходит аналогично вышеописанному.
з
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон регулирования скорости вращения стабилизированного электропривода, за счет введения в блок сравнения частот второй схемы И, схемы сравнения, регистра, преобразователя период-код, двух преобразователей длительность-код, вычислительного устройства и RS-триггера, которые позволяют устранить зависимость области начальных условий по Δω в момент разблокировки от заданной частоты вращения ω.