СИНХРОННО-СИНФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам автоматического фазирования синхронизированных электроприводов с фазовой автоподстройкой частоты вращения, и может быть использована в системах автоматического управления, построенных на основе принципа фазовой автоподстройки частоты.
Известен синхронно-синфазный электропривод (Патент РФ №2422978 от 27.06.2011г.), содержащий электродвигатель с установленным на его валу блоком импульсных датчиков, последовательно соединенные частотно-фазовый дискриминатор, блок коррекции, статический преобразователь, выходом подключенный к якорной обмотке электродвигателя, блок определения фазового рассогласования, формирователь дополнительных импульсов, смеситель, блок задания частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока определения фазового рассогласования, первый выход блока импульсных датчиков подключен к шестому входу смесителя, первый вход которого подключен к первому выходу блока задания частоты, третий вход - к выходу формирователя дополнительных импульсов, а второй, четвертый и пятый входы - соответственно ко второму, третьему и первому выходам блока определения фазового рассогласования, третий вход которого подключен ко второму выходу блока импульсных датчиков, первый и второй выходы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам частотно-фазового дискриминатора, при этом блок импульсных датчиков выполнен в виде импульсного датчика частоты и импульсного датчика положения ротора, объединенные входы которых являются входом блока импульсных датчиков, выход импульсного датчика частоты является первым выходом блока импульсных датчиков, а выход импульсного датчика положения ротора является вторым выходом блока импульсных датчиков, кроме того, смеситель выполнен в виде двух блоков суммирования импульсов, при этом третий и четвертый входы первого блока суммирования импульсов являются соответственно пятым и шестым входами смесителя, первый и четвертый входы второго блока суммирования импульсов являются соответственно первым и вторым входами смесителя, а первый и второй входы первого блока суммирования импульсов, объединенные соответственно со вторым и третьим входами второго блока суммирования импульсов, являются соответственно третьим и четвертым входами смесителя, выходы первого и второго блоков суммирования импульсов являются соответственно вторым и первым выходами смесителя, блок определения фазового рассогласования выполнен в виде первого счетчика импульсов, тактовый вход, объединенный с первым входом схемы разделения совпадающих импульсов, и вход сброса которого являются соответственно первым и вторым входами блока определения фазового рассогласования, а выходы подключены к информационным входам второго счетчика импульсов, при этом тактовый вход второго счетчика импульсов является третьим входом блока определения фазового рассогласования, а входы суммирования и вычитания импульсов подключены соответственно к первому и второму выходам схемы разделения совпадающих импульсов, второй вход которой является четвертым входом блока определения фазового рассогласования, выходы второго счетчика импульсов подключены к входам первого и второго блоков выделения кода, при этом первый и второй выходы первого блока выделения кода являются соответственно первым и вторым выходами блока определения фазового рассогласования, а выход второго блока выделения кода является третьим выходом блока определения фазового рассогласования, формирователь дополнительных импульсов выполнен в виде последовательно соединенных нелинейного элемента с зоной нечувствительности, вход которого является входом формирователя дополнительных импульсов, и одновибратора, выход которого является выходом формирователя дополнительных импульсов, кроме того первый выход блока импульсных датчиков подключен к четвертому входу блока определения фазового рассогласования, выход частотно-фазового дискриминатора подключен к входу формирователя дополнительных импульсов.
Недостатком такого устройства можно считать низкое быстродействие синхронно-синфазного электропривода, обусловленное его переводом в режим фазирования после завершения процесса синхронизации электропривода.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является синхронно-синфазный электропривод [Патент RU № 2485665 от 20.06.2013г.], содержащий электродвигатель с установленным на его валу блоком импульсных датчиков, последовательно соединенные частотно-фазовый дискриминатор, блок коррекции, статический преобразователь, выходом подключенный к якорной обмотке электродвигателя, блок определения фазового рассогласования, формирователь дополнительных импульсов, смеситель, блок задания частоты, первый выход которого подключен к первым входам блока определения фазового рассогласования и блока определения частотного рассогласования и второму входу цифрового ключа, первый вход которого подключен к третьему выходу блока задания частоты, второй выход которого подключен к второму входу блока определения фазового рассогласования, четвертый вход которого соединен с первым выходом блока импульсных датчиков, вторым входом блока определения частотного рассогласования и шестом входом смесителя, второй, четвертый и пятый входы которого подключены соответственно ко второму, третьему и первому выходам блока определения фазового рассогласования, третий вход которого подключен ко второму выходу блока импульсных датчиков, первый вход смесителя подключен к выходу цифрового ключа, управляющий вход которого подключен к выходу D-триггера, инверсный R-вход которого подключен к третьему выходу блока определения фазового рассогласования 8, синхровход подключен к выходу второй схемы сравнения, входы которой объединенные с входами первой схемы сравнения подключены к выходам блока определения частотного рассогласования, выход первой схемы сравнения подключен к первому входу схемы И, выход которой подключен к третьему входу смесителя, второй вход подключен к выходу формирователя дополнительных импульсов, вход которого подключен к выходу частотно-фазового дискриминатора, при этом блок импульсных датчиков выполнен в виде импульсного датчика частоты и импульсного датчика положения ротора, объединенные входы которых являются входом блока импульсных датчиков, выход импульсного датчика частоты является первым выходом блока импульсных датчиков, а выход импульсного датчика положения ротора является вторым выходом блока импульсных датчиков, кроме того, смеситель выполнен в виде двух блоков суммирования импульсов, при этом третий и четвертый входы первого блока суммирования импульсов являются соответственно пятым и шестым входами смесителя, первый и четвертый входы второго блока суммирования импульсов являются соответственно первым и вторым входами смесителя, а первый и второй входы первого блока суммирования импульсов, объединенные соответственно со вторым и третьим входами второго блока суммирования импульсов, являются соответственно третьим и четвертым входами смесителя, выходы первого и второго блоков суммирования импульсов являются соответственно вторым и первым выходами смесителя.
Недостатком этого устройства является наличие в функциональной схеме устройства ряда сложных элементов: двух схем сравнения и блока определения частотного рассогласования.
Техническим результатом полезной модели является упрощение схемы управления синхронно-синфазного электропривода с сохранением высокого быстродействия.
согласно заявляемому техническому решению
Данный технический результат достигается тем, что в синхронно-синфазный электропривод, содержащий электродвигатель с установленным на его валу блоком импульсных датчиков, последовательно соединенные частотно-фазовый дискриминатор, блок коррекции, статический преобразователь, выходом подключенный к якорной обмотке электродвигателя, блок определения фазового рассогласования, формирователь дополнительных импульсов, смеситель, блок задания частоты, первый выход которого подключен к первому входу блока определения фазового рассогласования и второму входу цифрового ключа, первый вход которого подключен к третьему выходу блока задания частоты, второй выход которого подключен к второму входу блока определения фазового рассогласования, четвертый вход которого соединен с шестым входом смесителя и подключен к первому выходу блока импульсных датчиков, второй, четвертый и пятый входы смесителя подключены соответственно ко второму, третьему и первому выходам блока определения фазового рассогласования, третий вход которого подключен ко второму выходу блока импульсных датчиков, первый вход смесителя подключен к выходу цифрового ключа, выход первой схемы И подключен к третьему входу смесителя, а второй вход подключен к выходу формирователя дополнительных импульсов, вход которого подключен к выходу частотно-фазового дискриминатора, при этом блок импульсных датчиков выполнен в виде импульсного датчика частоты и импульсного датчика положения ротора, объединенные входы которых являются входом блока импульсных датчиков, выход импульсного датчика частоты является первым выходом блока импульсных датчиков, а выход импульсного датчика положения ротора является вторым выходом блока импульсных датчиков, кроме того, смеситель выполнен в виде двух блоков суммирования импульсов, при этом третий и четвертый входы первого блока суммирования импульсов являются соответственно пятым и шестым входами смесителя, первый и четвертый входы второго блока суммирования импульсов являются соответственно первым и вторым входами смесителя, а первый и второй входы первого блока суммирования импульсов, объединенные соответственно со вторым и третьим входами второго блока суммирования импульсов, являются соответственно третьим и четвертым входами смесителя, выходы первого и второго блоков суммирования импульсов являются соответственно вторым и первым выходами смесителя,  введены схема НЕ, вторая схема И, два RS-триггера, выход первого RS-триггера подключен к управляющему входу цифрового ключа и к первому входу первой схемы И, S вход подключен к выходу второй схемы И, второй вход которой через схему НЕ подключен к третьему выходу блока определения фазового рассогласования, а первый вход подключен к выходу второго RS-триггера, S вход которого подключен к выходу формирователя дополнительных импульсов.
Сущность технического решения пояснена чертежами, где
на Фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства.
на Фиг. 2 приведен фазовый портрет работы предлагаемого устройства.
Синхронно-синфазный электропривод содержит электродвигатель 1, блок импульсных датчиков 2, блок задания частоты 3, смеситель 4, частотно-фазовый дискриминатор 5, блок коррекции 6, статический преобразователь 7, блок определения фазового рассогласования 8, формирователь дополнительных импульсов 9, цифровой ключ 14, схему И 15, RS-триггер 16, схему НЕ 17, RS-триггер 18, схему И 19.
На валу электродвигателя 1 установлен блок импульсных датчиков 2. Первый выход блока импульсных датчиков 2 подключен к четвертому входу блока определения фазового рассогласования 8 и к шестому входу смесителя 4, первый вход которого подключен к выходу цифрового ключа 14. Первый и второй вход цифрового ключа 14 подключены соответственно к третьему и первому выходам блока задания частоты 3. Второй, четвертый и пятый входы смесителя 4 подключены соответственно ко второму, третьему и первому выходам блока определения фазового рассогласования 8. Третий вход смесителя 4 подключен к выходу схемы И 15, второй вход которой подключен к выходу формирователя дополнительных импульсов 9. Первый вход схемы И 15 подключен к выходу RS-триггера 16. Выход RS-триггера 16 дополнительно подключен к управляющему входу цифрового ключа 14. Вход S RS-триггера 16 подключен к выходу схемы И 19, второй вход которой через схему НЕ 17 подключен к третьему выходу блока определения фазового рассогласования 8. Первый вход схемы И 19 подключен к выходу RS-триггера 18, вход S которого подключен к выходу формирователя дополнительных импульсов 9. Вход формирователя дополнительных импульсов 9 подключен к выходу частотно-фазового дискриминатора 5. Второй выход блока импульсных датчиков 2 подключен к третьему входу блока определения фазового рассогласования 8, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока задания частоты 3. Первый и второй выходы смесителя 4 подключены соответственно к первому и второму входам частотно-фазового дискриминатора 5, выход которого подключен к входу блока коррекции 6. Выход блока коррекции 6 подключен к входу статического преобразователя 7, выходом подключенного к якорной обмотке электродвигателя 1.
Блок импульсных датчиков 2 выполнен в виде импульсного датчика частоты 10 и импульсного датчика положения ротора 11. Вход блока импульсных датчиков 2 является входом импульсного датчика частоты 10 и входом импульсного датчика положения ротора 11. Выходы импульсного датчика частоты 10 и импульсного датчика положения ротора 11 являются соответственно первым и вторым выходами блока импульсных датчиков 2.
Смеситель 4 выполнен в виде блоков суммирования импульсов 12 и 13. Третий и четвертый входы блока суммирования импульсов 12 являются соответственно пятым и шестым входами смесителя 4. Первый и четвертый входы блока суммирования импульсов 13 являются соответственно первым и вторым входами смесителя 4. Первый и второй входы блока суммирования импульсов 12, объединенные соответственно со вторым и третьим входами блока суммирования импульсов 13, являются соответственно третьим и четвертым входами смесителя 4. Выходы блоков суммирования импульсов 12 и 13 являются соответственно вторым и первым выходами смесителя 4.
Синхронно-синфазный электропривод работает следующим образом.
Блок задания частоты 3 служит для формирования частотного сигнала , определяющего частоту вращения электродвигателя 1 в требуемом диапазоне частот вращения, импульсов угловой привязки , обеспечивающих синфазный режим работы электропривода и частотного сигнала
,
(1)
определяющего частоту вращения электродвигателя, на которой осуществляется предварительное фазирование. Значение  в уравнении (1) можно получить из следующего уравнения:
,
0
где  - ошибка по угловой скорости электродвигателя, при которой в случае переключения электродвигателя в режим максимального разгона, за время разгона электродвигателя до опорной частоты  фазовая ошибка изменится на значение Δα=2π, соответствующее довороту вала на один оборот. Уравнение  выводится аналогично уравнению  (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.), где  - угловое расстояние между соседними метками ИДЧ,  - число импульсов ИДЧ за один оборот вала электродвигателя, за исключением того, что рассматривается участок фазовой траектории на котором значение фазовой ошибки Δα изменяется на величину равную , а не на величину равную . Электродвигатель 1 является исполнительным элементом электропривода и обеспечивает вращение выходного вала с требуемой угловой скоростью.
При включении синхронно-синфазного электропривода на первый вход частотно-фазового дискриминатора 5 через смеситель 4 с выхода цифрового ключа 14 поступает сигнал , формируемый на третьем выходе блока задания частоты 3. На второй вход частотно-фазового дискриминатора 5 через смеситель 4 поступают импульсы частоты  с выхода блока импульсных датчиков 2, предназначенного для получения сигнала обратной связи по частоте вращения  и формирования сигнала начала отсчета углового положения ротора  с целью обеспечения синфазного режима работы электропривода. Частота следования импульсов  пропорциональна частоте вращения электродвигателя 1. Частотно-фазовый дискриминатор 5 проводит сравнение частот импульсных последовательностей  и  и выдает сигнал γ высокого уровня на разгон электродвигателя, так как .
Управляющий сигнал γ с выхода частотно-фазового дискриминатора 5 через блок коррекции 6, предназначенный для формирования управляющего сигнала с целью обеспечения устойчивой работы электропривода, и статический преобразователь 7, обеспечивающий усиление управляющего сигнала и его преобразование в требуемый ток в обмотках электродвигателя 1, поступает в обмотки электродвигателя 1, обеспечивая его разгон с максимальным ускорением, и электродвигатель 1 стремится разогнаться до синхронной с опорным сигналом частоты вращения (участок 1-2 фазовой траектории фиг. 2). При этом частота  на выходе блока импульсных датчиков 2 возрастает.
С уменьшением частотного рассогласования, при достижении угловой скоростью значения  частотно-фазовый дискриминатор 5 переходит в режим фазового сравнения импульсов частот  и , и на его выходе появляются импульсы, период следования которых равен периоду следования импульсов частоты , а длительность пропорциональна величине фазового рассогласования частотных сигналов  и . Сигнал γ с выхода частотно-фазового дискриминатора 5, в режиме фазового сравнения пропорциональный сигналу фазовой ошибки электропривода, поступает на вход блока коррекции 6, на выходе которого формируется сигнал управления статическим преобразователем 7, определяемый передаточной функцией блока коррекции 6. Передаточная функция блока коррекции 6 обычно выбирается так, чтобы обеспечить минимальное время переходного процесса в режиме синхронизации электропривода. Происходит синхронизация электропривода на частоте .
Блок определения фазового рассогласования 8 позволяет непрерывно определять угловое рассогласование  по мере поступления импульсов задающей частоты  и импульсов частоты обратной связи.
При наличии угловой ошибки, определяемой с помощью блока определения фазового рассогласования 8, на его третьем выходе формируется сигнал логической единицы, разрешающей процесс предварительного фазирования. Происходит фазирование электропривода (участок 2-3 фазовой траектории) с постоянной скоростью доворота вала равной . При устранении угловой ошибки на третьем выходе блока определения фазового рассогласования 8 формируется сигнал логического нуля, что приводит к появлению логической единицы на втором входе схемы И 19. В этот момент на первом входе схемы И 19 уже стоит логическая единица, так как при достижении угловой скоростью значения  формирователь дополнительных импульсов 9 устанавливает выход RS-триггера 18 в это состояние. Логическая единица появляется на выходе схемы И 19, что приводит к установке высокого уровня напряжения на выходе RS-триггера 16 и устанавливает цифровой ключ 14 в состояние в котором на его выход проходит импульсный сигнал с первого выхода блока задания частоты 3. Высокий уровень напряжения на выходе RS-триггера 16 позволяет проходить импульсам с формирователя дополнительных импульсов 9 (разрешается работа части схемы, отвечающей за фазирование с пошаговым доворотом вала) в смеситель. Частотно-фазовый дискриминатор 5 производит сравнение частот импульсных последовательностей  и  и выдает сигнал γ высокого уровня на разгон электродвигателя 1 с максимальным ускорением, так как . Частота  на выходе блока импульсных датчиков 2 при этом возрастает.
В момент времени, когда частота  сравнивается с частотой  частотно-фазовый дискриминатор 5 переходит в режим фазового сравнения импульсов частот  и , и на его выходе появляются импульсы, период следования которых равен периоду следования импульсов частоты , а длительность пропорциональна величине фазового рассогласования частотных сигналов  и . Сигнал γ с выхода частотно-фазового дискриминатора 5, в режиме фазового сравнения пропорциональный сигналу фазовой ошибки электропривода, поступает на вход блока коррекции 6, на выходе которого формируется сигнал управления статическим преобразователем 7, определяемый передаточной функцией блока коррекции 6. Передаточная функция блока коррекции 6 обычно выбирается так, чтобы обеспечить минимальное время переходного процесса в режиме синхронизации электропривода.
При наличии остаточной угловой ошибки после синхронизации на частоте , которая может возникнуть в результате нестабильности момента нагрузки, а так же других возмущающих факторов, и определяется с помощью блока определения фазового рассогласования 8, на его третьем выходе формируется сигнал логической единицы, а в зависимости от знака угловой ошибки формируется сигнал логической единицы на первом или втором выходе блока определения фазового рассогласования 8. Высокие уровни сигнала на втором и третьем выходах блока определения фазового рассогласования 8 разрешают прохождение дополнительных импульсов с выхода формирователя дополнительных импульсов 9 через блок суммирования импульсов 13 на первый вход частотно-фазового дискриминатора 5. Высокие уровни сигналов на первом и третьем выходах блока определения фазового рассогласования 8 разрешают прохождение дополнительных импульсов через блок суммирования импульсов 12 на второй вход дискриминатора 7. При этом в зависимости от знака угловой ошибки осуществляется дополнительный разгон или торможение электродвигателя 1.
Дополнительные импульсы на выходе формирователя дополнительных импульсов 9 формируются после синхронизации электропривода при уменьшении значения фазовой ошибки на выходе частотно-фазового дискриминатора 5 до требуемой величины.
После отработки начальной угловой ошибки электропривода на третьем выходе блока определения фазового рассогласования 8 появляется низкий уровень напряжения, запрещающий прохождение дополнительных импульсов через блоки суммирования импульсов 12 и 13 на входы частотно-фазового дискриминатора 5. При этом электропривод переходит в режим синхронно-синфазного вращения.
Работа электропривода (при отработке отрицательного фазового рассогласования) поясняется фазовым портретом (фиг. 2). На участке 1-2 электропривод разгоняется с максимальным (постоянным) ускорением. В момент времени 2 электропривод переходит в режим синхронизации на угловой скорости пропорциональной дополнительной частоте  (пропорциональный режим работы). Далее на участке 2-3 происходит процесс фазирования с постоянной скоростью доворота вала. В момент времени 3, когда значение фазовой ошибки становиться равно нулю, начинается дальнейший разгон электропривода. В случае отсутствия колебаний момента нагрузки и других возмущающих факторов в момент времени 4 при прохождении двух импульсов частоты  между двумя импульсами частоты  происходит полная синхронизация электропривода с переходом в синхронно-синфазный режим. В случае присутствия колебаний момента нагрузки и других возмущающих факторов происходит отклонение от расчетной траектории и синхронизация электропривода происходит на участке 5-6, после чего на участке 6-7 происходит отработка небольшой фазовой ошибки пошаговым способом реализованном в аналоге (Патент РФ №2422978) с последующей полной синхронизацией электропривода на участке 7-8 с переходом в синхронно-синфазный режим.
Введение в синхронно-синфазный электропривод схемы И, схемы НЕ и двух RS-триггеров позволяет значительно упростить функциональную электрическую схему синхронно-синфазного электропривода, сохранив высокое быстродействие.