УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОГЛАСОВАНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ СИНХРОННО-ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам автоматического фазирования синхронизированных электроприводов с фазовой автоподстройкой частоты вращения, и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации, например в приводе устройств видеозаписи и сканирующих систем.
5
Известно устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока (см. а.с. СССР №1100700 от 30.06.2984, МПК H02P 5/50), содержащее последовательно соединенные генератор опорной частоты, управляемый ключ, второй вход которого подключен к выходу управляемого генератора, управляющий вход - к выходу первого триггера, первый вход которого соединен с выходом первого логического элемента И, и блок фазовой автоподстройки частоты вращения вала ведомого двигателя с импульсным датчиком частоты вращения и датчиком углового положения, связанным с первым входом фазового дискриминатора и первого логического элемента И, вспомогательный генератор опорной частоты фазирования, подключенный к выходу генератора опорной частоты, блок индикации синхронизации, три логических элемента И, логический элемент ИЛИ, три триггера, последовательно соединенные формирователь кода разности фаз, регистр памяти и блок сравнения кодов, последовательно соединенные импульсный частотно-фазовый дискриминатор, блок коррекции и интегратор, выход которого через управляемый генератор соединен с первым входом второго логического элемента И, выход, которого подключен к первому входу импульсного частотно-фазового дискриминатора, второй вход которого подключен к третьему логическому элементу И, первый вход которого вместе с первыми входами формирователя кода разности фаз, блока индикации синхронизации и второго триггера соединен с выходом генератора опорной частоты второй вход соединен с выходом третьего триггера, первый вход которого подключен к выходу четвертого логического элемента И, одновременно соединенному с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого вместе с вторыми входами первого и третьего триггеров подключен к дополнительному выходу формирователя кода разности фаз, выход логического элемента ИЛИ через первый вход четвертого триггера, второй вход которого вместе с входом разрешения записи регистра памяти соединен с выходом первого логического элемента И, связан с вторым входом второго логического элемента И, выход вспомогательного генератора опорной частоты фазирования соединен с вторыми входами фазового дискриминатора и второго триггера, выход которого подключен к второму входу первого логического элемента И, к третьему входу которого подключен выход блока индикации синхронизации, второй вход которого соединен с выходом импульсного датчика частоты вращения, связанного также с вторым входом формирователя кода разности фаз, третий вход которого подключен к фазовому дискриминатору. А выход через второй вход блока сравнения кодов соединен с первым входом четвертого логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого триггера.
оп
К недостаткам этого устройства можно отнести наличие фазового сдвига импульсных последовательностей f и частота на выходе ФАПЧ, наличие задержки в прохождении сигналов Р и Т на вход блока коррекции и наличие выбросов напряжения на входе интегратора, обуславливающих большой темп нарастания.
Наиболее близким техническим решением является устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока (см. а.с. СССР №1612368 от 07.12.1990, H02P 5/50), содержащее последовательно соединенные генератор опорной частоты вращения, управляемый ключ, и блок фазовой автоподстройки частоты с импульсными датчиками частоты и углового положения, а также генератор опорной частоты фазирования, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, блок управления фазированием, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты вращения, второй и четвертый входы подключены соответственно к выходам импульсных датчиков частоты и углового положения, третий вход соединен с выходом генератора опорной частоты фазирования, а третий выход подключен к управляющему входу управляемого ключа, импульсный частотно-фазовый дискриминатор и последовательно включенные блок коррекции, интегратор и управляемый генератор, выходом соединенный с вторым входом управляемого ключа, два делителя частоты и два элемента ИЛИ-НЕ, вход первого делителя частоты подключен к выходу управляемого генератора, вход второго делителя частоты подключен к выходу генератора опорной частоты вращения, выходы делителей частоты соединены с соответствующими входами импульсного частотно-фазового дискриминатора, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления фазированием, второй выход которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ, выход первого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с входом блока коррекции.
см
ос
оп
оп
ос
Недостатками данного устройства является низкое быстродействия электропривода при отработке угловых рассогласований за счет нарушения алгоритма работы в случае отличия модулей значений ускорения в режимах разгона и торможения электропривода, обусловленного наличием напряжения смещения u на входе интегратора, приводящего к тому, что в момент отработки угловой ошибки (Δα=0) частота на выходе ФАПЧ, а следовательно и частота f, отличаются от частоты f; к тому же в этот момент значение фазового рассогласования частот f и f может быть произвольным. Ненулевые начальные условия по Δω и Δα в момент подключения контура ФАПЧВ к ЧЗБ приводят к выходу электропривода из пропорционального режима работы. В этом случае для завершения фазирования требуется повторная синхронизация и повторение процесса фазирования, причем основное время тратится на синхронизацию.
Техническим результатом полезной модели является повышение быстродействия за счет организации отключения режима фазирования только после синхронизации контура фазовой автоподстройки частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока, содержащим последовательно соединенные генератор опорной частоты вращения 1, управляемый ключ 2, и блок фазовой автоподстройки частоты 3 с импульсными датчиками частоты 4 и углового положения 5, а также генератор опорной частоты фазирования 6, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты вращения 1, блок управления фазированием 7, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты вращения 1, второй и четвертый входы подключены соответственно к выходам импульсных датчиков частоты 4 и углового положения 5, третий вход соединен с выходом генератора опорной частоты фазирования 6, а третий выход подключен к управляющему входу управляемого ключа 2, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 8 и последовательно включенные блок коррекции 9, интегратор 10 и управляемый генератор 11, выходом соединенный с вторым входом управляемого ключа 2, два делителя частоты 12, 13 и два элемента ИЛИ-НЕ 14, 15, вход первого делителя частоты 12 подключен к выходу управляемого генератора 11, вход второго делителя частоты 13 подключен к выходу генератора опорной частоты вращения 1, выходы делителей частоты соединены с соответствующими входами импульсного частотно-фазового дискриминатора 8, первый выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ-НЕ 14, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления фазированием 7, второй выход которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ 15, выход первого элемента ИЛИ-НЕ 14 подключен к первому входу второго элемента ИЛИ-НЕ 15, выход которого соединен с входом блока коррекции 9, согласно заявляемому техническому решению, второй выход импульсного частотно-фазового дискриминатора 8 подключен к пятому входу блока управления фазированием 7, а шестой вход подключен ко второму выходу фазовой автоподстройки частоты вращения 3, блок управления фазированием 7 содержит блок определения углового рассогласования 16, блок памяти 17, логический элемент ИЛИ-НЕ 18, блок запуска 19, устройство сравнения 20, блок формирования управляющих сигналов Р, Т и Ф 21, первый, второй, третий, четвертый входы блока управления углового рассогласования 16 являются первым, вторым, третьим, четвертым входами блока управления фазированием 7, соответственно, выход блока определения углового рассогласования 16 подключен к первому входу устройства сравнения 20, входу блока памяти 17, входу логического устройства ИЛИ-НЕ 18, а его выход подключен к первому входу блока запуска 19, второй вход блока запуска 19 является шестым входом блока управления фазированием 7, выход блока запуска 19 подключен к третьему входу блока формирования управляющих сигналов 21 и второму входу блока памяти 17, а его выход подключен ко второму входу устройства сравнения 20, выход устройства сравнения 20 - к первому входу блока формирования управляющих сигналов 21, второй вход блока формирования управляющих сигналов 21 является пятым входом блока управления фазированием 7, а выходы блока формирования управляющих сигналов 21 Р, Т и Ф являются первым, вторым и третьим выходами блока управления фазированием 7, соответственно.
Сущность технического решения пояснена чертежами, где на фиг. 1, приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства, а на фиг. 2. - функциональная электрическая схема БУФ.
Устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока работает следующим образом:
оп
оп
Генератор опорной частоты вращения ГОЧВ 1 и генератор опорной частоты фазирования ГОЧФ 6 служат для формирования импульсов f и F опорных частот.
оп
Генератор опорной частоты вращения 1 служит для формирования опорной частоты f, определяющей частоту вращения электропривода.
Генератор опорной частоты фазирования 6 служит для формирования импульсов угловой привязки, определяющих начало строки сканирования обзорно-поисковой системы.
Два делителя частоты 12, 13, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 8, два логических элемента ИЛИ-НЕ 14, 15, блок коррекции 9, интегратор 10, управляемый генератор 11 образуют контур фазовой автоподстройки частоты.
оп
Делитель частоты 12, 13 служит для деления входной частоты на два с целью получения на выходе контура ФАПЧ импульсов с нулевым фазовым сдвигом относительно импульсов f.
Импульсный частотно-фазовый дискриминатор 8 служит для сравнения частот и фаз входных частотных сигналов.
Логические элементы ИЛИ-НЕ 14 и 15 реализуют логическую функцию (Δα+Р)Т, где Δα - выходной сигнал дискриминатора, и служат для блокировки выходного сигнала дискриминатора 8, т.е. для размыкания контура фазовой автоподстройки частоты с целью формирования линейно изменяющейся частоты на выходе управляющего генератора 11 в режиме фазирования.
Блок коррекции 9 служит для обеспечения устойчивости работы контура фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора 11 и может быть выполнен в виде последовательно соединенных пропорционально-дифференциального регулятора и нелинейного элемента, обеспечивающего ограничение выходного сигнала элемента коррекции и может быть выполнен в виде линейного усилителя, в котором насыщение определяется насыщением операционного усилителя.
Интегратор 10 служит для формирования линейно-изменяющегося напряжения на входе управляемого генератора 11 при наличии сигналов разгона (Р) или торможения (Т) контура фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора 11.
Управляемый генератор 11 служит для формирования частоты в зависимости от входного напряжения.
Управляемый ключ 2 служит для передачи на выход одного из входных сигналов в соответствии с управляющим сигналом.
Контур ФАПЧВ 3 представляет собой ЭПФС и служит для стабилизации частоты вращения электропривода на основе принципа ФАПЧ.
Импульсный датчик углового положения 5 служит для формирования определенного количества импульсов положения за оборот вала электродвигателя.
Блок управления фазированием 7 служит для формирования управляющих сигналов контуром фазовой автоподстройки частоты, и управляемым ключом 2 в зависимости от фазового рассогласования импульсов с выхода генератора опорной частоты фазирования 6 (Fоп) и датчика углового положения 5 ротора (Fос) и включает в себя БОУР, БП, ИЛИ-НЕ, БЗ, УС, БФУС, служит для формирования сигналов Р, Т, Ф, управляющих процессом фазирования.
оп
ос
Блок определения углового рассогласования 16 осуществляет сравнение фаз частотных сигналов F и F и служит для определения угловой ошибки электропривода.
Блок памяти 17 служит для запоминания значения входного кода в момент прихода импульса fз, определяющего начало процесса фазирования.
Логический элемент ИЛИ-НЕ 18 выполняет функцию логического сложения и инвертирования.
з
Блок запуска 19 служит для формирования импульса запуска f при наличии угловой ошибки электропривода в момент его синхронизации.
Устройство сравнения 20 служит для сравнения двух цифровых кодов.
Блок формирования управляющих сигналов 21 служит для формирования управляющих сигналов Р (разгон контура ФАПЧ), Т (торможение контура ФАПЧ), Ф (разрешение процесса фазирования).
При разгоне электродвигателя до синхронной частоты вращения, управляющие сигналы на выходе блока управления фазированием 7 отсутствуют.
При этом на вход блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3 поступает выходной сигнал генератора опорной частоты 1 через управляющий ключ 2, определяя разгон электродвигателя до синхронной скорости. В это же время на выходе управляемого генератора 11 частота следования импульсов повышается до тех пор, пока не сравняется с частотой fоп с выхода генератора опорной частоты 1. При вхождении импульсного частотно-фазового дискриминатора 8 в пропорциональный режим работы импульсы на его входах в установившемся режиме оказываются сдвинутыми на тс рад, а импульсы на входах делителей частоты на два не имеют фазового сдвига, что позволяет исключить скачок фазовой ошибки на π в блоке фазовой автоподстройки частоты вращения при переходе в режим фазирования.
оп
ос
0
уг
оп
После синхронизации электропривода появление сигнала П на выходе блока ФАПЧВ в блоке управления фазированием 7 определяется фазовое рассогласование F и F с выходов генератора опорной частоты фазирования 6 и датчика углового положения 5 соответственно, которое пропорционально угловой ошибке электропривода Δα. При наличии углового рассогласования, превышающего зону нечувствительности Δα≠0, устанавливается режим фазирования. На управляющий вход управляемого ключа 2 поступает сигнал Ф с блока управления фазированием 7 и на вход блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3 начинают поступать импульсы с управляемого генератора 11. Одновременно на первом выходе блока управления фазированием 7 появляется сигнал разгона Р, обеспечивающий линейное нарастание выходного сигнала интегратора 10 и соответственно частоты управляемого генератора 11 по закону f=f+Kt., где K - добротность разомкнутого контура фазовой автоподстройки частоты, t=0 в момент начала фазирования.
0
Добротность K выбирается меньше добротности блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3, чтобы обеспечить обработку начального углового рассогласования Δα в режиме фазирования без выхода блока 3 в режим насыщения.
Режим разгона электропривода с постоянным ускорением продолжается до тех пор, пока начальное угловое рассогласование не уменьшится в два раза. В этот момент сигнал Р (разгон) становится равным 0 и появляется управляющий сигнал Т (торможение), что приводит к изменению направления интегрирования интегратора 10.
уг
р
р
р
р
Частота выходного сигнала управляемого генератора 11 изменяется при этом по закону f=f(t)-K(t-t), где f(t) - значение, достигнутое частотой управляемого генератора 11 в процессе разгона электропривода в момент окончания процесса разгона t.
оп
Окончание процесса фазирования определяется моментом появления сигнала П′ на выходе ИЧФД 8 (после синхронизации контура ФАПЧ). При этом выходные сигналы блока управления фазированием 7 становятся равным 0 и на вход блока фазовой автоподстройки частоты вращения 3 через управляемый ключ 2 начинает поступать частота f с генератора опорной частоты вращения 1.
оп
оп
Так как импульсы частоты с выхода управляемого генератора 11 в пропорциональном режиме работы контура ФАПЧ совпадают с импульсами частоты f, то переключение блока ФАПЧВ на задающую частоту fпроисходит без выхода блока ФАПЧВ в режимы насыщение. В результате не требуется повторная синхронизация блока ФАПЧВ после окончания процесса фазирования (как в прототипе при наличии скоростной ошибки по окончании процесса фазирования при наличии напряжения смещения интегратора), что позволяет повысить быстродействие электропривода.
Блок управления фазированием 7 содержит блок определения углового рассогласования БОУР 16, блок памяти БП 17, логический элемент ИЛИ-НЕ 18, блок запуска БЗ 19, устройство сравнения УС 20, блок формирования управляющих сигналов БФУС 21.
оп
ос
оп
ос
Блок определения углового рассогласования путем обработки сигналов f, f, F и F формирует сигнал Δα, пропорциональный угловой ошибке электропривода. Блок ИЛИ-НЕ формирует сигнал Δα≠0 при отсутствии углового рассогласования.
з
0
При наличии угловой ошибки Δα≠0 в синхронном режиме работы контура ФАПЧВ (сигнал П) блок запуска формирует импульс f. По этому импульсу осуществляется запись в БП значения кода, равного половине значения угловой ошибки Δα в момент записи, формирование высокого уровня сигнала Ф в БФУС и, в зависимости от знака угловой ошибки, - высокого уровня сигналов Р или Т, обеспечивающих линейное нарастание или уменьшение частоты .
0
оп
оп
Электропривод переходит в режим разгона или торможения и при уменьшении угловой ошибки Δα до значения Δα/2 на выходе устройства сравнения формируется импульс, изменяющий значения сигналов Р и Т на противоположные. Частота f начинает возвращаться к исходному значению f, обеспечивая изменение знака ускорения электропривода. В момент появления на выходе ИЧФД сигнала П′ (пропорциональный режим) происходит установка низких уровней сигналов Р, Т и Ф, что обеспечивает прекращение режима фазирования и переход контура ФАПЧВ в пропорциональный режим работы.
Для устранения нарушений алгоритма работы фазирующего регулятора возможных в прототипе установка низких уровней сигналов Р, Т и Ф осуществляется по сигналу П′, соответствующему синхронному режиму работы контура ФАПЧ. В этом случае контур ФАПЧВ подключается к ЧЗБ с нулевыми начальными условиями по Δω.
см
При неполной отработке начального углового рассогласования из-за наличия напряжения смещения u интегратора, процесс фазирования повторяется, но уже при малом значении Δα, которое легко отрабатывается за 1-2 цикла.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить быстродействие за счет исключения возможных повторных синхронизаций электропривода по окончании процесса фазирования.