УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЕБАЛАНСНЫМ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕМ
DEVICE FOR CONTROLLING UNBALANCED VIBRATION EXCITER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматизированному электроприводу постоянного тока, предназначено для управления дебалансным вибровозбудителем, который содержит электродвигатель постоянного тока.
Известно устройство для релейного регулирования тока электродвигателя постоянного тока, содержащее тиристорный преобразователь в цепи питания электродвигателя, обратный диод, источник питания, датчик якорного тока, формирователь пилообразного напряжения, компаратор, три RS-триггера, шесть элементов И-НЕ, три элемента ИЛИ-НЕ, пять формирователей импульсов, генератор прямоугольных импульсов, два усилителя импульсов, задатчик эталонного напряжения (а.с. СССР №SU 1403320 A1, МПК4 H02P 5/175, опубл. 15.06.88, БИ №22).
Недостатком указанного устройства является переменная частота регулирования.
Также известно устройство - релейно-импульсный регулятор тока тягового электродвигателя постоянного тока, содержащий в цепи питания тягового электродвигателя тиристорный преобразователь, обратный диод, датчик тока, семь формирователей импульсов, три элемента ИЛИ-НЕ, семь элементов И-НЕ, два компаратора, четыре RS-триггера, формирователь пилообразного напряжения, генератор импульсов, задатчик напряжения (а.с. СССР №SU 1614966 A1, МПК5 B60L 15/04, опубл. 23.12.90, БИ №47).
К недостаткам указанного устройства относятся большая статическая ошибка регулирования, возможность возникновения субгармонических и хаотических колебаний, приводящих к увеличению пульсаций тока электродвигателя и вероятности отказа силового электрооборудования.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство импульсного регулирования тока электродвигателя постоянного тока, содержащее электродвигатель постоянного тока, блок пусковых резисторов, содержащий N регулируемых ступеней, датчик тока, усилитель сигнала рассогласования, устройство выборки-хранения, генератор импульсов, задатчик опорного напряжения, блок управления, выполненный по многозонному принципу, число зон которого равно количеству регулируемых ступеней блока пусковых резисторов, каждая зона блока управления снабжена формирователем пилообразного напряжения, компаратором, усилителем импульсов и полупроводниковым ключом (Патент на изобретение RU 2399146 С1, МПК H02P 7/06, H02H 7/08, опубл. 10.09.2010, Бюл. №25).
Недостатками указанного устройства являются большое энергопотребление и габариты за счет резисторов с большим сопротивлением.
Технической задачей изобретения является снижение пульсаций момента двигателя, повышение точности регулирования, исключение режима прерывистых токов, снижение энергопотребления за счет отсутствия резисторов и функциональная надежность системы за счет использования двузонной модуляции для импульсного регулирования тока электродвигателя.
Техническая задача решается тем, что в известное устройство, содержащее электродвигатель постоянного тока, датчик тока, усилитель сигнала рассогласования, генератор импульсов, задатчик опорного напряжения, добавляется блок управления, выполненный на базе ШИМ-2 по двузонному принципу, каждая зона которого снабжена формирователем пилообразного напряжения, компаратором, RS-триггером, полупроводниковым ключом и диодом, причем выход датчика тока подключен к инверсному входу усилителя сигнала рассогласования, а прямой вход последнего соединен с выходом задатчика уставки тока электродвигателя, входы 2-х формирователей пилообразного напряжения объединены и подключены к выходу генератора импульсов, выход каждого формирователя пилообразного напряжения подключен к прямому входу соответствующего компаратора, а инверсные входы компараторов объединены и подключены к выходу усилителя сигнала рассогласования, каждый из выходов компараторов двух зон подключен к R-входу соответствующего триггера, а S-входы триггеров объединены и подключены к выходу генератора импульсов, выход каждого триггера подключен к управляющим входам соответствующих полупроводниковых ключей, диоды обеспечивают схему работы ключей ИЛИ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, фиг.2 поясняет сущность регулирования на базе ШИМ-2 методом двузонной модуляции, на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.
<mi>U</mi>
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>К</mi><mi>У</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>И</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>1</mn><mi>П</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>2</mn><mi>П</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mi>T</mi>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mi>у</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>i</mi><mi>у</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>K</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1,2,...</mn></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>
На фиг.1-3 обозначено:
- напряжение питания электродвигателя;
- ток якоря электродвигателя;
- выходной сигнал датчика тока;
- задающий сигнал, пропорциональный величине уставки тока якоря;
- напряжение на выходе усилителя сигнала рассогласования;
- выходное напряжение генератора тактовых импульсов;
,
- сигналы на выходе формирователей пилообразного напряжения;
,
- управляющие импульсы блока управления;
- период следования тактовых импульсов;
,
- соответственно уставки тока якоря 1-й и 2-й зон;
,
- моменты переключения компараторов в состояние логического «0»;
- амплитуда развертывающего напряжения.
<mrow><mi>U</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>
Устройство управления дебалансным вибровозбудителем содержит электродвигатель постоянного тока 1.1, виброинструмент 1.2 [Л.Ю. Волкова, И.В. Лупехина, Г.Я. Пановко, С.Ф. Яцун, Исследование динамики вибрационного инструмента при его взаимодействии с обрабатываемой средой //Машиностроение и инженерное образование. 2010. №4(25) С.43-52.], источники питания 2.1 и 2.2, напряжение питания равно
для каждого источника соответственно, датчик тока 3, усилитель сигнала рассогласования 4, два RS-триггера 5.1 и 5.2, генератор импульсов 6, задатчик опорного напряжения 11, полупроводниковые ключи 7.1 и 7.2, формирователи пилообразного напряжения 8.1 и 8.2, компараторы 9.1 и 9.2, диоды 10.1 и 10.2, причем в цепь якоря электродвигателя 1.1 включен датчик тока 3, выход которого соединен с инверсным входом усилителя сигнала рассогласования 4, а прямой вход последнего соединен с выходом задатчика опорного напряжения 11, входы 2-х формирователей пилообразного напряжения 8.1 и 8.2 объединены и подключены к выходу генератора импульсов 6, выход каждого формирователя пилообразного напряжения 8.1 и 8.2 подключен к прямому входу соответствующего компаратора 9.1 и 9.2, а инверсные входы компараторов объединены и подключены к выходу усилителя сигнала рассогласования 4, выход компаратора каждой зоны подключен к R-входу соответствующего триггера 5.1 и 5.2, S-входы триггеров объединены и подключены к генератору импульсов 6. Выход каждого триггера подключен к управляющему входу соответствующего полупроводникового ключа 7.1 и 7.2, полупроводниковые ключи и диоды 10.1 и 10.2 образуют схему переключения ИЛИ.
Временные диаграммы, поясняющие сущность регулирования тока электродвигателя методом двузонной модуляции, приведены на фиг.2.
На фиг.3 приведены диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>И</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>И</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>
Генератор импульсов 6 формирует тактовые импульсы напряжения
с периодом Т. По передним фронтам тактовых импульсов
формирователи пилообразного напряжения 8.1 и 8.2 каждой зоны формирует развертывающее напряжение. Уровень развертывающего напряжения 2-й зоны смещен относительно развертывающего напряжения 1-й зоны на величину
.
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>y</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>β</mi><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub></mrow>
<mi>β</mi>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>К</mi><mi>У</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>К</mi><mi>У</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mi>y</mi></msub><mo>−</mo><mi>β</mi><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mi>α</mi>
На прямой вход усилителя сигнала рассогласования 4 подается напряжение
, пропорциональное величине уставки тока якоря
, а на инверсный вход - сигнал
выхода датчика тока 3. Величина выходного сигнала датчика тока пропорциональна текущему значению измеряемого тока якоря:
, где
- коэффициент передачи датчика тока 3. На выходе усилителя сигнала рассогласования 4 формируется сигнал ошибки
, равный
, где
- коэффициент усиления усилителя сигнала рассогласования.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>К</mi><mi>У</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>1</mn><mi>П</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>2</mn><mi>П</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>И</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Сигнал
ошибки сравнивается в компараторах 9.1 и 9.2 с соответствующими развертывающими напряжениями
,
, поступающими с выходов формирователей пилообразного напряжения 8.1 и 8.2. С выходов компараторов сигнал поступает на R-вход соответствующего триггера 5.1 и 5.2, на S-вход поступают управляющие импульсы
с генератора импульсов 6. На выходах триггеров 9.1 и 9.2 формируются модулированные по длительности управляющие импульсы
,
.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>К</mi><mi>У</mi></mrow></msub><mo>></mo><msubsup><mi>U</mi><mi>s</mi><mi>П</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub><mo><</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>У</mi><mi>s</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>К</mi><mi>У</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>Я</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>y</mi><mi>s</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>И</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>S</mi></msub></mrow>
Если
, т.е
(см. фиг.3), то на выходе триггера s-й зоны устанавливается состояние, равное логической «1». Этот сигнал поступает на управляющий вход полупроводникового ключа соответствующей зоны 7.s. Полупроводниковый ключ 7.s замыкается. Ток якоря
возрастает. В момент времени
, когда сигнал ошибки
усилителя сигнала рассогласования 4 сравнивается с развертывающим напряжением, что соответствует
(см. фиг.3), компаратор 9.s переключается в состояние логической «1», этот сигнал поступает на R-вход. На выходе триггера s-й зоны устанавливается состояние, равное логическому «0», и полупроводниковый ключ 7.s размыкается. Это состояние сохраняется до начала следующего такта. Ток якоря начинает снижаться до прихода следующего тактового импульса
, который устанавливает выходной сигнал триггеров 5.1 и 5.2. в состояние, равное логической «1». Далее описанный процесс повторяется. Коэффициент заполнения управляющих импульсов
определяет продолжительность замкнутого состояния полупроводникового ключа 7.s в пределах текущего тактового интервала.