ЧАСТОТНО-ФАЗОВАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
FREQUENCY-PHASE SYSTEM TO CONTROL SPEED OF MOTOR ROTATION

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в быстродействующих системах регулирования, в которых требуется стабилизация скорости вращения электродвигателя.
Известно устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока по RU 2023343 C1, 1994.11.15, МКИ H02P 6/02, содержащее мостовой коммутатор на транзисторах, датчик положения ротора, задатчик направления вращения, узел токоограничения, узел управления частотой вращения и декодер, декодер выполнен на трех инверторах и шести логических элементах 3И-НЕ или 3ИЛИ-НЕ.
Недостатком данного устройства является низкая устойчивость и быстродействие в связи с ограниченной полосой захвата частоты.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является импульсно-фазовая система стабилизации скорости электроприводов, описанная в книге «Управление электроприводами» А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский, Л. Энергоиздат, 1982, стр.181-186, включающая в себя фазовый дискриминатор, генератор эталонной частоты, преобразователь код-частота, регулятор положения, частотный дискриминатор, нелинейный логический блок, импульсный датчик скорости, жестко связанный с валом управляемого электродвигателя.
Основными недостатками данного устройства являются низкие быстродействие и надежность.
Эта импульсно-фазовая система стабилизации скорости электропривода выбрана в качестве прототипа.
Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия и надежности, упрощение и снижение стоимости устройства, с помощью регулятора управляющего напряжения и объединения функций фазового и частотного дискриминаторов в одном импульсном частотно-фазовом дискриминаторе.
Для решения поставленной задачи в импульсно-фазовую систему стабилизации скорости электропривода, содержащую последовательно соединенные задающий генератор, импульсный частотно-фазовый дискриминатор, коммутатор, электродвигатель, вал которого жестко связан с вращающимся трансформатором, используемым в качестве датчика скорости вращения электродвигателя, введен регулятор управляющего напряжения, причем выход генератора соединен с входом формирователя квадратурного напряжения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами регулятора управляющего напряжения и с первым и вторым входами вращающегося трансформатора, выход которого соединен с четвертым входом регулятора управляющего напряжения и с первым входом импульсного частотно-фазового дискриминатора, на второй вход которого подается частота управления, а выход соединен с третьим входом регулятора управляющего напряжения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами регулятора тока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами электродвигателя, вал которого жестко связан с валом вращающегося трансформатора.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема частотно-фазовой системы регулирования скорости вращения электродвигателя, на фиг.2 - принципиальная схема регулятора управляющего напряжения и на фиг.3 - принципиальная схема импульсного частотно-фазового дискриминатора.
Частотно-фазовая система регулирования скорости вращения электродвигателя состоит из генератора 1 (Г), формирователя 2 квадратурного напряжения (ФКН), вращающегося трансформатора 3 (ВТ), электродвигателя 4 (ЭД), импульсного частотно-фазового дискриминатора 5(ИЧФД), регулятора 6 управляющего напряжения (РУН), регулятора 7 тока (РТ).
Для описания системы поясним работу импульсного частотно-фазового дискриминатора 5.
На второй вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 5 подается управляющая частота Fy в виде коротких импульсов. На первый вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 5 подается частота обратной связи с выхода вращающегося трансформатора 3 в виде синусоидального напряжения с частотой Foe. В режиме частотного сравнения сигналов Fy и Foc характеристика импульсного частотно-фазового дискриминатора 5 релейна:
В режиме фазового сравнения, когда Fy=Foc, на выходе ИЧФД сигнал представляет собой последовательность импульсов логической единицы с частотой Fy и относительной длительностью Кз, пропорциональной разнице фаз сравниваемых сигналов,
<mrow><mi>К</mi><mi>з</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>с</mi><mo>-</mo><mi>φ</mi><mtext> </mtext><mi>у</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Кз - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульсов на выходе ИЧФД;
φос - фаза сигнала обратной связи;
φy - фаза сигнала управляющей частоты.
Устройство работает следующим образом.
Предлагаемое устройство представляет собой частотно-фазовую следящую систему, где в качестве датчика положения ротора электродвигателя 4 используется вращающийся трансформатор 3. Формирователь 2 квадратурного напряжения преобразует прямоугольный сигнал частотой Fo=3906 Гц, поступающий с генератора 1, в квадратурное синусоидальное напряжение Fo sin и Fo cos, которым запитывается вращающийся трансформатор 3. Вращающийся трансформатор 3, жестко связанный с валом электродвигателя 4, работает в режиме фазовращателя. На его выходной обмотке будет присутствовать частота:
<mrow><mi>F</mi><mtext></mtext><mi>о</mi><mi>с</mi><mo>=</mo><mi>F</mi><mi>o</mi><mo>±</mo><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>р</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Fo - опорная частота квадратурного напряжения;
ωвр - частота вращения вала электродвигателя.
Как видно из формулы (3), когда ωвр=0, Foc=Fo. Когда двигатель вращается со скоростью ωвр=2πFвр и Foc=Fo±Fвр.
Сигнал, поступающий с выходной обмотки вращающегося трансформатора 3 содержит информацию об угле поворота и скорости вращения вала электродвигателя. Этот сигнал поступает на первый вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 5, алгоритм которого описан выше, и на четвертый вход регулятора 6 управляющего напряжения, в котором сравнивается с квадратурным напряжением питания вращающегося трансформатора 3. Как показано на принципиальной схеме регулятора 6 управляющего напряжения на фиг.2, сравнение осуществляется с помощью устройства выборки-хранения, состоящего из мультиплексора DD25, резисторов R33, R34, конденсатора С16 и повторителей DA4, DA5. Когда Fy не равна Foe на выходе повторителей появляются ступенчатые синусоиды с разностной частотой Fy-Foc, поступающие на входы Х1 перемножителей DA6, DA7. На входы Y1 перемножителей поступает напряжение с выхода импульсного частотно-фазового дискриминатора, прошедшее через фильтр, собранный на операционных усилителях DA2, DA3. В результате на входы Y1 поступает максимальное постоянное напряжение, знак которого зависит от знака разности частот |Fy-Foc|. После перемножения на выходах DA6, DA7 появляется квадратурное напряжение в виде двух ступенчатых синусоид с разностной частотой Fy-Foc и максимальной амплитудой. Это напряжение поступает на регулятор 7 тока, который регулирует ток в обмотках электродвигателя 4. Происходит разгон или торможение выходного вала электродвигателя 4 и вращающегося трансформатора 3. Частота Foe начинает увеличиваться или уменьшаться, приближаясь к частоте управления Fy. В определенный момент произойдет захват частоты, система переключится в режим фазовой автоподстройки и электродвигатель будет вращаться с заданной частотой |Fy-Foc|. На выходе импульсного частотно-фазового дискриминатора появляется последовательность импульсов, величина которого пропорциональна коэффициенту заполнения Кз=(φос-φу)/2π. Последовательность импульсов с помощью фильтра преобразовывается в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения Кз. Знак этого напряжения зависит от Кз,
<mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>К</mi><mi>з</mi><mo><</mo><mn>0,5</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>U</mi><mi>ф</mi><mo><</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>К</mi><mi>з</mi><mo>></mo><mn>0,5</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>U</mi><mi>ф</mi><mo>></mo><mn>0</mn></mrow>
.
На выходе перемножителей появляется квадратурное напряжение в виде двух ступенчатых синусоид с разностной частотой Fy-Foc и амплитудой, пропорциональной Кз. Это состояние будет сохраняться до тех пор, пока разность частот |Fy-Foc| не станет больше полосы захвата. Как только, в результате изменения управляющей частоты Fy или воздействия возмущающих факторов на вал электродвигателя, разность частот |Fy-Foc| станет больше полосы захвата, процесс повторится.
Алгоритм работы системы построен таким образом, что, когда на второй вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 5 и на четвертый вход регулятора 6 управляющего напряжения поступает частота управления Fy=Foc система находится в фазовом режиме. В этом случае вал электродвигателя 4 вращается с постоянной стабилизируемой скоростью или, при Fy=Foc=Fo, находится в состоянии покоя. В случае, когда Fy не равна Foc, вал электродвигателя 4 находится в состоянии разгона или торможения в зависимости от знака разности частот |Fy-Foc|.
Генератор 1, формирователь 2 квадратурных напряжений и регулятор тока 7 принципиальных особенностей не имеют.
Введение в систему регулятора 6 управляющего напряжения для формирования двухфазного напряжения управления для определения момента захвата частоты и автоматического переключения управления с частотного режима на режим фазовой автоподстройки, позволило значительно повысить устойчивость и быстродействие системы. Объединение функций фазового и частотного дискриминаторов в одном импульсном частотно-фазовом дискриминаторе 5 значительно упростило систему, повысив ее надежность и снизив стоимость.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.
Выполнено электронное моделирование схемы устройства в среде пакета OrCAD 16.3. Результаты моделирования свидетельствуют о решении поставленной задачи. ОАО «ИСС» планирует использовать это техническое решение на штатных изделиях.