СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
STABILISED ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации, а так же в обзорно-поисковых и сканирующих системах.
Известно устройство для стабилизации скорости вращения ротора электродвигателя постоянного тока (а.с. СССР №1280685, МКИ H02P 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-НЕ, выход которого подключен ко 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 H02P 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 - ко 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
oc
При повторном наложении во времени импульсов f и 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
oc
oc
on
on
oc
T+(τ+τ)>T>T-(τ+τ).
Для обратных величин можно записать
,
или
,
on
oc
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 импульсного датчика частоты, 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 импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД) в режиме фазового сравнения.
к
Выражение для фактического отклонения угловой скорости Δω электропривода от заданной в момент выполнения опережающей разблокировки ИЧФД в режиме 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.
Поставленная задача решена за счет того, что первый вход блока сравнения частот подключен ко второму выходу импульсного частотно-фазового дискриминатора с не менее чем тремя выходами, второй вход блока сравнения частот подключен к третьему выходу импульсного частотно-фазового дискриминатора с не менее чем тремя выходами, а блок сравнения частот выполнен в виде схемы сравнения, регистра, счетчика импульсов, высокочастотного генератора и схемы ИЛИ, входы которой являются входами схемы сравнения. Выход схемы ИЛИ подключен одновременно к синхровходу С регистра и к R-входу нулевой установки счетчика импульсов, синхровход С которого подключен к выходу высокочастотного генератора. Выходы счетчика импульсов подключены к D-входам регистра, выходы Q которого подключены ко входам схемы сравнения. Выход схемы сравнения 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 Δω=f(t) работы электропривода в режиме разгона.
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 схемы ИЛИ 10, высокочастотного генератора 11, счетчика импульсов 12, регистра 13 и схемы сравнения 14.
1
1
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. Вход А импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 через формирователь импульсов 6 подключен к выходу блока задания частоты 1. Вход В импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 через формирователь импульсов 7 подключен к выходу импульсного датчика частоты вращения 5. Первый вход схемы ИЛИ 10 является первым входом блока сравнения частот 8 и подключен к выходу B импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. Второй вход схемы ИЛИ 10 является вторым входом блока сравнения частот 8 и подключен к выходу C импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. R-вход счетчика импульсов 12 объединен с синхровходом С регистра 13 и подключен к выходу схемы ИЛИ 10. Синхровход С счетчика импульсов 12 подключен к выходу высокочастотного генератора 11. Выходы счетчика импульсов 12 подключены к D-входам регистра 13. Выходы Q регистра 13 подключены ко входам схемы сравнения 14, выход которой является выходом блока сравнения частот 8.
оп
оп
оп
ос
1
Стабилизированный электропривод работает следующим образом. 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 вход А импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 поступает сигнал задания  с выхода формирователя импульсов 6. На вход В импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 поступает 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 A импульсного частотно-фазового 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
1
1
1
оп
ос
1
ос
оп
r
вых
Блок сравнения частот 8 служит для определения момента времени, когда ошибка по угловой скорости Δω в момент пересечения изображающей точки фазовой траектории линии переключения становится меньше Δω, путем анализа сигналов, поступающих выходов B и C импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. Импульс на выходе B импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 появляется, когда между двумя соседними импульсами f не проходит ни одного импульса f. На выходе C импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 импульс появляется, когда между двумя соседними импульсами f не проходит ни одного импульса f. В момент, когда ошибка по угловой скорости Δω становится меньше Δω, с выхода блока сравнения частот 8 сигнал f через одновибратор 9 осуществляет разблокировку в пропорциональный режим работы импульсного частотно-фазового дискриминатора 2.
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. В блоке осуществляется подсчет количества импульсов N высокочастотного генератора между ситуациями прохождения двух импульсов одной частоты между двумя импульсами другой частоты, что соответствует прохождению рабочей точкой значений
Δ
m
на фазовом портрете (фиг.2) разгона электропривода с фазовой синхронизацией (n - целое число). Время t прохождения рабочей точкой участка а-б на фазовом портрете разгона с максимальным ускорением ε электропривода с фазовой синхронизацией пропорционально подсчитанному количеству импульсов N высокочастотного генератора
вч
где Т - период импульсов высокочастотного генератора.
ср
Т.к. на участке а-б угловое ускорение постоянно, то средняя ошибка по угловой скорости Δω электропривода находится по уравнению
.
ср
к
Временные диаграммы Δω=f(t) работы электропривода в режиме разгона представлена на фиг.3. Зная значение Δω, можно определить значение ошибки по угловой скорости в точке б Δω
.
Δ
Таким образом, при известном значении t можно определить значение ошибки по угловой скорости электропривода в момент прохождения рабочей точкой значений , где n - целое число
.
С учетом того, что область начальных условий для организации опережающей разблокировки ИЧФД целесообразно выбирать из условия
,
то
,
,
.
p
С учетом уравнения (1) получаем расчетное количество импульсов N высокочастотного генератора 11 за время прохождения участка а-б на фазовом портрете, при котором ошибка по угловой скорости будет равна .
1
1
к
p
к
p
вых
вых
В момент прохождения второго импульса одной частоты между двумя импульсами другой частоты с выхода B (при разгоне) или выхода C (при торможении) импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 импульс через схему ИЛИ 10 подается на синхровход регистра 13, на Q выходы которого записывается двоичный код с Q выходов счетчика импульсов 12, и на R-вход счетчика импульсов 12, сбрасывая его. В схеме сравнения 14 производится сравнение значения N с Q выходов регистра 13 и расчетного значения N. В том случае, если значение N станет больше значения N, на выходе схемы сравнения 14 формируется импульс f, поступающий на вход одновибратора 9. На выходе одновибратора 9 формируется импульс, импульс f, поступающий на вход одновибратора 9. На выходе одновибратора 9 формируется импульс, поступающий на вход С ИЧФД 2 и осуществляющий его опережающую разблокировку.
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 схемы сравнения, D-триггера, счетчика импульсов, высокочастотного генератора и схемы ИЛИ, которые позволяют устранить зависимость области начальных условий по Δω в момент опережающей разблокировки импульсного частотно-фазового дискриминатора от заданной частоты вращения ω.