Устройство управления угловой скоростью двигателя постоянного тока
DC MOTOR ANGULAR SPEED CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в составе систем, в которых необходимо управление угловой скоростью с высокой точностью.
Известно устройство для регулирования и стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока [А.С. 183264, СССР. Устройство для регулирования и стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока / Ю. А. Ковалев. - № 1001998/24-7; заявл. 15.04.1965; опубл. 17.06.1966; бюл. № 13], содержащее двухкаскадный транзисторный усилитель постоянного тока с проходным и усилительным транзистором с дополнительным транзистором, входная цепь которого подключена к эмиттерному сопротивлению проходного транзистора, а коллектор - между базой и базовым сопротивлением усилительного транзистора.
Недостатком этого устройства является принципиальная техническая невозможность выбора таких параметров в рамках данной схемы, что устройство было бы устойчивым, при этом установившаяся ошибка по квазипостоянному возмущающему моменту произвольной величины в пределах линейной характеристики двигателя была бы равна нулю.
В качестве прототипа был взят гиромотор в составе датчика угловых скоростей ДУС-Б-2Б [Унифицированный ряд малогабаритных гироскопических датчиков угловых скоростей типа ДУС-Б-2Б (на постоянном токе): Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - 1971. - 20 с.]. В нём использован центробежный регулятор частоты вращения гиромотора, который работает следующим образом: после превышения центробежной силы определённого порога происходит размыкание контактов и в цепь включается дополнительное сопротивление, ток в цепи ротора уменьшается, обороты падают под действием противо-ЭДС и моментов сопротивления.
Недостатком данного устройства, взятого за прототип, является невозможность задания различных величин угловой скорости, а также невысокая точность работы из-за наличия залипания в контакте центробежного регулятора.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональности, которое состоит в регулировании угловой скорости двигателя в широком диапазоне, а также в повышении точности регулирования скорости вращения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве управления угловой скоростью двигателя постоянного тока, выполненном в виде электрической машины независимого возбуждения, в цепь якоря которого последовательно включён добавочный резистор, новым является то, что вход якоря двигателя подключён к выходу суммирующего усилителя, к первому входу которого подключён задатчик угловой скорости, ко второму входу суммирующего усилителя по типу положительной обратной связи подключён добавочный резистор, при этом коэффициент передачи от второго входа к выходу суммирующего усилителя определяется формулой
,
где  – коэффициент передачи от второго входа к выходу суммирующего усилителя; ,  – сопротивление обмоток якоря двигателя и добавочного резистора соответственно, а с якорем двигателя механически связан датчик угловой скорости, выход которого соединён с дифференциатором, подключённым к третьему входу суммирующего усилителя по типу отрицательной обратной связи.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где введены следующие обозначения:
1 - двигатель постоянного тока, выполненный в виде электрической машины независимого возбуждения;
2 - суммирующий усилитель;
3 - задатчик угловой скорости;
4 - датчик угловой скорости;
5 - дифференциатор;
6 - операционный усилитель;
7 - усилитель мощности;
- ток якоря;
- сопротивление обмоток якоря двигателя;
, ,  - резисторы первого, второго и третьего входов суммирующего усилителя соответственно;
- резистор отрицательной обратной связи операционного усилителя;
- добавочный резистор;
- резистор положительной обратной связи операционного усилителя;
- угловая скорость якоря двигателя;
- задающий сигнал угловой скорости;
- противо-ЭДС;
- знак дифференцирования или оператор Лапласа;
- индуктивность обмоток якоря;
- момент инерции якоря и нагрузки;
- коэффициент момента;
- коэффициент противо-ЭДС;
, ,  - коэффициенты передачи от соответствующих входов к выходу суммирующего усилителя.
- коэффициент передачи дифференциатора;
- коэффициент передачи датчика угловой скорости;
- возмущающий момент.
На фиг. 1 и фиг. 3 показана электрическая функциональная схема, при этом на фиг. 3 приведён пример реализации суммирующего усилителя 2. На фиг. 2 изображена структурная схема.
В устройство входит двигатель постоянного тока 1, выполненный в виде электрической машины независимого возбуждения. С якорем двигателя 1 механически связан датчик угловой скорости 4, который по своей сути может быть, например, тахогенератором. Также датчик угловой скорости 4 может представлять собой датчик Холла, установленный на корпусе двигателя 1, с магнитом на якоре двигателя 1. Выход датчика угловой скорости 4 подключён к дифференциатору 5. В роли дифференциатора 5 может выступать активный фильтр в виде дифференцирующего звена или цифровое вычислительное устройство. Выход дифференциатора 5 подключён к третьему входу суммирующего усилителя 2, выход которого соединён с входом якоря двигателя 1. На первый вход суммирующего усилителя 2 подключён задатчик угловой скорости 3. В цепь якоря двигателя 1 последовательно включён добавочный резистор , который подключается ко второму входу суммирующего усилителя 2 по типу положительной обратной связи.
Работа устройства управления угловой скоростью двигателя постоянного тока описывается уравнением динамики
,
где  – момент инерции якоря двигателя;  – коэффициент момента;  – возмущающий момент, в который могут входить моменты сил сухого и вязкого трения и другие, и уравнением электрической цепи
,
где  – индуктивность обмоток якоря двигателя;  – коэффициент противо-ЭДС двигателя; ,  – коэффициенты передачи дифференциатора и датчика угловой скорости соответственно.
На основе приведённых уравнений составлена структурная схема на фиг. 2. По структурной схеме можно реализовать передаточную функцию  угловой скорости вращения якоря двигателя  по сигналу задатчика частоты вращения
,
где  – знак дифференцирования или оператор Лапласа, а также можно реализовать передаточную функцию  ошибки регулирования угловой скорости якоря  по возмущающему моменту
.
Устройство управления гиромотором работает следующим образом. Задатчик угловой скорости 3 подаёт сигнал требуемой угловой скорости  вращения на первый вход суммирующего усилителя 2. В установившемся режиме без действия возмущающего момента напряжение, создаваемое суммирующим усилителем 2, будет компенсироваться противо-ЭДС  двигателя, и угловая скорость будет равна требуемой при соблюдении условия настройки
.
Согласно теореме о конечном значении оригинала по передаточной функции  можно видеть, что в установившемся режиме угловая скорость будет равна заданной
.
При действии неопределённых квазипостоянных возмущающих моментов угловая скорость будет снижаться, тем самым снижая и противо-ЭДС, возникнет ток  в цепи якоря двигателя постоянного тока 1. Падение напряжения на добавочном резисторе  подаётся через суммирующий усилитель с коэффициентом передачи
на якорь двигателя постоянного тока 1, компенсируя тем самым падение напряжения на активном сопротивлении якоря  и добавочного резистора . Таким образом происходит компенсация возмущающего момента. Однако при указанных параметрах обратной связи устройство лишается естественного демпфирования и возникают незатухающие колебания значений угловой скорости . Это можно видеть по знаменателю передаточной функции  при отсутствии сигнала дифференциатора
.
Сигнал датчика угловой скорости 4, пропускаемый через дифференциатор 5, вносит в устройство необходимое демпфирование и используется для придания устойчивости и заданного качества переходных процессов. Действительно, в установившемся режиме при действии постоянного возмущающего момента  ошибка регулирования угловой скорости  равна нулю
,
т. е. устройство является астатической по постоянному возмущающему моменту системой управления.
Под квазипостоянным возмущающим моментом здесь понимается либо кусочно-постоянный возмущающий момент, периоды постоянных значений которого много больше времени переходных процессов, либо возмущающий момент, скорость изменения которого много меньше скорости переходных процессов. При этом установившаяся ошибка по монотонно растущему возмущающему моменту (им можно аппроксимировать различные зависимости возмущающего момента от времени) оценивается по передаточной функции  согласно теореме о конечном значении оригинала
,
где  - скорость изменения возмущающего момента.
В качестве суммирующего усилителя 2, как на фиг. 3, может быть использован операционный усилитель 6, соединённый последовательно с усилителем мощности 7 с коэффициентом передачи . На инвертирующий вход операционного усилителя 6 подключены резисторы  и , являющиеся первым и третьим входом суммирующего усилителя 2 соответственно, а на неинвертирующий вход подключён резистор , являющийся вторым входом суммирующего усилителя 2, и резистор положительной обратной связи . Резистор отрицательной обратной связи  подключён к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя 6. Выход усилителя мощности 7 является выходом суммирующего усилителя 2. Величины сопротивлений резисторов , , , ,  выбраны таким образом, чтобы обеспечивались необходимые коэффициенты передачи , ,  от соответствующих входов к выходу суммирующего усилителя 2. Сопротивления резисторов связаны следующими соотношениями
,
,
.
Таким образом, применение предлагаемого устройства управления угловой скоростью двигателя постоянного тока позволяет регулировать угловую скорость двигателя в широком диапазоне, а также повысить точность регулирования скорости вращения.