Многофункциональное логическое устройство сравнения для электропривода с фазовой синхронизацией

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматизация функционального проектирования электромеханических систем и устройств преобразовательной техники //

В.М. Дмитриев, Т.Н. Зайченко, А.Г. Гарганеев, Ю.А. Шурыгин.

- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. - 292 с.

2. Арайс Е.А., Дмитриев В.М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1982. - 160 с.

3. Дмитриев В.М., Шутенков А.В., Ганджа ТВ. Архитектура универсального вычислительного ядра для реализации виртуальных лабораторий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2004. - № 2. - С. 24-28.

4. Арайс Е.А., Дмитриев В.М. Автоматизация моделирования многосвязных механических систем. - М.: Машиностроение, 1987. - 240 с.

5. Дмитриев В.М., Арайс Л.А., Шутенков А.В. Автоматизация моделирования промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1995. - 304 с.

6. Зайченко Т.Н. Автоматизация моделирования линейных непрерывных САУ в системе МАРС // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2004. - № 9. - С. 1-7.

7. Дьяконов В.П. вшшНпк 4. Специальный справочник. - СПб.: Питер, 2002. - 528 с.

8. Зайченко Т.Н. Автоматизация схемотехнического моделирования электрических машин в системе МАРС // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2004. - № 11. -

С. 1-9.

9. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2001. - 327 с.

10. Чучалин А.И. Математическое моделирование в электромеханике. - Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - 170 с.

11. Ананин В.Г., Зайченко Т.Н. Автоматизация функционального моделирования строительных и дорожных машин (СДМ) // Вестник ТГАСУ. - 2000. - № 1. - С. 275-290.

12. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

УДК 62-83

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СРАВНЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ

А.В. Бубнов

Омский государственный технический университет Е-mail: info@omgtu.ru

Проведен анализ алгоритмов построения импульсного частотно-фазового дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией, и разработано многофункциональное логическое устройство сравнения, позволяющее повысить качество регулирования электропривода.

При разработке электропривода для обзорно-поисковых систем перспективными являются системы управления, работающие в режиме фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) [1] (рис. 1, где ЧЗБ - частотозадающий блок, формирующий импульсы опорной частоты X; ИДЧ - импульсный датчик частоты вращения, формирующий импульсы частоты обратной связи X; ИЧФД - импульсный частотно-фазовый дискриминатор; КУ - корректирующее устройство; БДПТ - бесконтактный двигатель постоянного тока). Такие системы характеризуются высокими точностными показателями, хорошими динамическими свойствами и широким диапазоном регулирования.

Рис. 1. Функциональная схема электропривода с фазовой синхронизацией

Целью данной статьи является разработка многофункционального логического устройства срав-

нения (ЛУС) для электропривода с фазовой синхронизацией, построенного на основе принципа ФАПЧВ, в контуре регулирования которого для повышения качества управления используется информация о текущем режиме работы привода.

Введение дополнительных корректирующих сигналов в канал регулирования электропривода с фазовой синхронизацией в режимах насыщения ИЧФД [2] позволяет уменьшить время регулирования в переходных режимах работы. При этом сигнал, пропорциональный ошибке по угловой скорости Г£ в режимах насыщения импульсного частотно-фазового дискриминатора, формируется путем дифференцирования выходного сигнала (пропорционального ошибке по углу Г5) дополнительного фазового дискриминатора (ФД) [3], поскольку его характеристика не имеет участков насыщения.

Выходной сигнал фазового дискриминатора при изменении фазовой ошибки частот/ш иX, в

пределах, превышающих угловое расстояние между метками ИДЧ щ=2а/г, где г - количество меток ИДЧ, имеет разрывы, обусловленные нелинейностью характеристики ФД. При дифференцирова-

нии такого сигнала наблюдаются выбросы напряжения, поступающие в основной канал регулирования в виде помехи.

Указанный недостаток отсутствует в разработанной схеме фазового дискриминатора с расширенной до >1,5д0 линейной зоной характеристики [4]. Разрывы в выходном нормированном сигнале фазовой ошибки ГД=Гд/(2р) в рабочей зоне >1,5д0 устраняются путем получения сигнала ГД' в результате суммирования сигнала ГД с сигналами индикации насыщения ИЧФД Р и Т при )оп>)ос и )) соответственно (рис. 2, где ДУ - дифференцирующее устройство, УК - управляемый ключ, БУ - блок управления).

На рис. 4 работа ИЧФД поясняется с помощью временных диаграмм.

Y=0J°° Y=0J“ Y=^“ Y=1 a

и

fo,

&

СТ2

1+1 Qi

-1 <Ъ

Y

Рис. 3. Граф переходов и функциональная схема ИЧФД с обычным алгоритмом работы

Рис. 2. Функциональная схема ЛУС с расширенной линейной зоной характеристики

Для обеспечения нормальной работы рассмотренного способа регулирования электропривода с фазовой синхронизацией необходима разработка многофункционального ЛУС, обеспечивающего формирование сигналов индикации режимов насыщения ИЧФД Р и Т, а также формирование сигнала фазовой ошибки ГД электропривода в режимах насыщения.

Алгоритм работы ИЧФД удобно отображать с помощью графа переходов, в узлах которого указаны выходные состояния импульсного частотно-фазового дискриминатора, а ветви и петли графа обозначены состояниями входов ИЧФД. Наиболее простой алгоритм работы ИЧФД [5] отображен на рис. 3, а, в виде графа переходов с четырьмя выходными состояниями (А, В, С, В) импульсного частотно-фазового дискриминатора (индекс I показывает, что сформируется в виде логического сигнала).

Каждый входной импульс частоты )п переводит ИЧФД в соседнее состояние в направлении от А к В, а каждый импульс частоты ) - в обратном направлении. Режиму фазового сравнения соответствует поочередная смена состояний В и С, при этом выходной сигнал $ представляет собой последовательность импульсов частоты )п с длительностью, пропорциональной разности фаз Гд сравниваемых частот )п и )ж. Режимам насыщения соответствует поочередная смена состояний А и В (при )п<), 9=0) или С и D (при/>ю 0=1).

Переход из одного режима в другой возможен только при приходе двух (или более) импульсов одной частоты между двумя соседними импульсами другой частоты в соответствии с графом переходов.

fo.

foc

Y

i I i i 1 1 1 .

i i Г 1 t

1 1

¿0 tl ¿2 $

Рис. 4. Временные диаграммы работы ИЧФД

Интервал времени ¡0<К^ соответствует режиму разгона электропривода ()п>4, $=1). В момент времени соответствующий приходу двух подряд импульсов частоты ) между двумя соседними импульсами частоты )п, ИЧФД переходит в пропорциональный режим работы (режим фазового сравнения), и на выходе $ появляется последовательность импульсов с периодом Топ и длительностью а> пропорциональной фазовому рассогласованию Гд частот),, и)ж.

В момент времени /2 повторяется ситуация, когда два импульса частоты проходят между двумя соседними импульсами частоты ) п. В результате ИЧФД переходит в режим насыщения, соответствующий режиму торможения электропривода Ооп<)ос, $=0).

Рассмотренный алгоритм реализуется в ИЧФД на основе двухразрядного реверсивного счетчика импульсов СТ2 (рис. 3, б), имеющего насыщение при значениях выходного двоичного кода или в зависимости от направления подсчета импульсов [5, 6].

Основным недостатком рассмотренного алгоритма работы ИЧФД является то, что состояния В и С на графе переходов (рис. 3, а) соответствуют одновременно режиму фазового сравнения и режимам насыщения ИЧФД, что при использовании такого импульсного частотно-фазового дискриминатора в электроприводе затрудняет определение в произвольный момент времени режима работы электропривода и, в результате, ограничивает возможности по реализации регулятора в электропри-

воде с фазовой синхронизацией. В связи с этим вышерассмотренный импульсный частотно-фазовый дискриминатор не может использоваться в электроприводах с эффективными, но сложными алгоритмами управления, требующими информации о текущем режиме работы ИЧФД.

Для устранения этого недостатка в импульсном частотно-фазовом дискриминаторе [7] использованы два блокирующих триггера Т1, Т2 (рис. 5, в, где ЛУ - логическое устройство, ЛБ - схема логической блокировки), выходные сигналы которых определяют режим работы ИЧФД. При этом на графе переходов (рис. 5, а) происходит разделение состояний В и С (рис. 3, а), соответствующих режиму фазового сравнения и режимам насыщения одновременно.

На рис. 5, б, граф переходов представлен в другой более наглядной форме, и изменено обозначение состояний в соответствии с режимами работы электропривода. В результате на графе переходов четко выделяются три режима работы ИЧФД: насыщения при разгоне электропривода Р, пропорциональный П (режим фазового сравнения) и насыщения при торможении Т.

Блокирующие триггеры предназначены для формирования информации о текущем режиме работы ИЧФД. Изменение выходных состояний триггеров осуществляется при приходе двух импульсов одной из сравниваемых частот /ж или /ж между двумя соседними импульсами другой. Такие ситуации определяются с помощью логического

устройства ЛУ (рис. 5, в), управляющего работой триггеров Т1, Т2.

Сигнал ГД;, пропорциональный фазовой ошибке Гд, формируется с помощью фазового дискриминатора ФД и преобразуется в выходной сигнал ИЧФД $ с помощью схемы логической блокировки ЛБ, работающе-й в соответствии с логической функцией (Ц=Р+Т ГД;.

Благодаря наличию двух блокирующих триггеров, формирующих информацию о режиме работы импульсного частотно-фазового дискриминатора, такой ИЧФД может применяться в электроприводах с фазовой синхронизацией, в которых реализуются алгоритмы управления, использующие информацию о текущем режиме работы электропривода.

К недостаткам такой реализации ИЧФД следует отнести ненадежную работу импульсного частотно-фазового дискриминатора, обусловленную зависимостью работы ЛУ от параметров входных импульсов частот /ж и /ж и проявляющуюся в возможности возникновения сбоев в работе ИЧФД при незначительных отклонениях параметров импульсов частот /ж и /ж от значений, при которых ЛУ нормально функционирует.

Для эффективного применения в системах регулирования, использующих информацию о режиме работы ЛУС, разработана схема ИЧФД (рис. 6, в) с синхронизацией работы блокирующих триггеров Т1, Т2 по импульсам опорной частоты /ж [8], что позволяет устранить зависимость работы ЛУ от значений параметров импульсов частот/ш и/ж.

7 = 0 7 = 0

/9©/±©

I ос

/о.

/о

/°^/ос ///о

©

71 = 0 /1 = 1

а

/оп

7 = 0 /о

/ос

7 = 1 /ос 7 = 1

/оп

>

© 7> = 1

Уоп

/о.

/о

ФД

Аф1

с

ЛУ

ЛБ

8 Я Т1

8 Я Т2

7

Пи^ос)

К/оп>/ос)

в

Рис. 5. Графы переходов и функциональная схема ИЧФД с блокирующими триггерами

Изменение алгоритма работы ИЧФД отражается на графе переходов (рис. 6, а) в разделении состояний П2 и Т2 (рис. 5, б). В более наглядном виде граф переходов представлен на рис. 6, б, где видно, что изменение режима работы ИЧФД осуществляется синхронизировано с импульсами частоты /п.

В предлагаемой схеме (рис. 6, в) ФД выполняется в виде суммирующего счетчика импульсов частоты /с с коэффициентом пересчета равным трем с насыщением при достижении выходным кодом счетчика значения 10 и сбросом в 00 по импульсам частоты /п. В результате такой реализации счетчик подсчитывает количество поступивших импульсов частоты /с между двумя соседними импульсами частоты /п. Логическое устройство ЛУ в зависимости от состояния счетчика импульсов и значений выходных сигналов блокирующих триггеров Т1, Т2 формирует сигналы, поступающие на информационные входы блокирующих триггеров. Эти сиг-

налы отражают требуемое изменение текущего режима работы ИЧФД и в момент прихода импульса частоты /п запоминаются в блокирующих триггерах.

Если к моменту прихода импульса частоты /п на счетчик поступил только один импульс частоты/, то в триггерах сохраняется предыдущая информация. При отсутствии импульсов частоты /с между двумя соседними импульсами частоты /п в триггерах происходит изменение информации следующим образом:

а) из режима насыщения при торможении /</) происходит переход в режим фазового сравнения;

б) из режима фазового сравнения - переход в режим насыщения при разгоне //);

в) режим насыщения при разгоне (/„„>/„) сохраняется.

При приходе двух или более импульсов частоты /с между двумя соседними импульсами частоты /п изменение режимов происходит в обратном порядке.

fo

9T"Y=0

fon

fo

fo,

Y=0 Y=0

fo‘

fo,

fo,

-9 y=

fo

Yi = 0( П2

0

fo

fo

fo

fo,

fo,

’Л2) Yi = 0

r,=i

Joe

fo

m) Yi=l

fo

fo

fo

j^by-©^© y=

Y=0 Y=0 Jo '

fo

0

Y=0 Joc y=0 fo‘

fo

j&f ©j ©dj

Yi=0 J Yi=l oc Yi=l

а

fo

fo

ФД

Аф

H

ЛУ

ЛБ

D С Т1

D С Т2

1<>

Y

P

П

в

Рис. 6. Графы переходов и функциональная схема ИЧФД с синхронизацией работы блокирующих триггеров 156

Высокий уровень напряжения Н на выходе второго разряда счетчика импульсов в ФД соответствует состояниям Р3, П3 или T3 графа переходов (рис. 6, б) и используется в схеме ЛБ для опережающей разблокировки ИЧФД в случае прихода подряд двух или более импульсов частоты /с между двумя соседними импульсами частоты-/ п в со-ответ-ствии с логической функцией (Ц=(Р+Т Г/Т ;)Н.

Разработанный алгоритм работы ЛУС обеспечивает формирование сигналов индикации режимов насыщения ИЧФД Р и Т, а также формирование на выходе ФД сигнала фазовой ошибки ГД электропривода в режимах насыщения, что позволяет использовать разработанное многофункциональное ЛУС в предлагаемом способе регулирования электропривода, использующем дополнительные корректирующие сигнала в режимах насыщения ИЧФД.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трахтенберг Р.М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. - М.: Энергоиздат, 1982.

- 168 с.

2. Бубнов А.В. Вопросы анализа и синтеза прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода постоянного тока: Научное издание. - Омск: Омский научный вестник, 2004. -132 с.

3. А.с. 1302411 СССР. МКИ4 Н02Р 5/06. Стабилизированный электропривод / А.М. Сутормин, В.Н. Зажирко, В.Г. Кавко. Заявлено 10.07.85; Опубл. 07.04.87, Бюл. № 13. - 4 с.: ил.

4. А.с. 1508334 СССР. МКИ4 Н02Р 5/06. Стабилизированный электропривод / А.В. Бубнов, В.Г Кавко, А.М. Сутормин. Заявлено 02.11.87; Опубл. 15.09.89, Бюл. № 34. - 4 с.: ил.

5. Стребков В.И. Импульсный частотно-фазовый дискриминатор на интегральных микросхемах // Электронная техника в автоматике / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Советское радио, 1977. - Вып. 9. - С. 223-230.

6. А.с. 569000 СССР. МКИ2 H03D 13/00. Импульсный частотнофазовый дискриминатор / В.И. Стребков. Заявлено 04.10.74; Опубл. 15.08.77, Бюл. № 30. - 3 с.: ил.

7. А.с. 484621 СССР. МКИ2 H03D 13/00. Частотно-фазовый компаратор / А.В. Буравцев, Е.Е. Макаренко. Заявлено 04.03.74; Опубл. 15.09.75, Бюл. № 34. - 2 с.: ил.

8. А.с. 1589373 СССР. МКИ5 H03D 13/00. Частотно-фазовый дискриминатор / А.В. Бубнов, В.Г Кавко, А.М. Сутормин. Заявлено 23.05.88; Опубл. 30.08.90, Бюл. № 32. - 5 с.: ил.

УДК 621.372.5

УСЛОВИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ФАЗОВОГО СДВИГА ОТ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ В УСТРОЙСТВАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ СОСТОЯНИЯМИ

О.В. Стукач

Томский политехнический университет E-mail: tomsk@ieee.org

На основе теории линейных систем найдено условие минимального изменения фазочастотной характеристики от амплитудночастотной характеристики в устройствах с переменными установившимися состояниями. Исследована базовая структура устройства и показано, что выполнение условия инвариантности приводит к теоретически предельно возможным фазочастотным характеристикам. В качестве примера раскрыты подробности конструкции управляемого аттенюатора и обсуждены его характеристики. Главное отличие схемы от известных заключается в широкополосности и большом диапазоне вносимых ослаблений, где достигается минимум фазового сдвига при регулировании. В результате оптимизации найдены параметры корректирующих цепей и управляемых диодов.

1. Постановка задачи

Устройства с переменными состояниями с малой зависимостью фазового сдвига при регулиро-

вании амплитудно-частотной характеристики

(АЧХ) используют в сверхвысокочастотных системах, где требуется повышенная фазовая стабильность. Например, в системах автоматического фазирования сигналов в передатчиках, фазоинвариантных электрически управляемых аттенюаторах, системах суммирования мощностей в усилителях, измерительных системах и т.д. [1, 2].

Известно, что точная инвариантность фазового сдвига в управляемой системе обеспечивается только в том случае, когда АЧХ в разных состояниях затуха-

ния имеет постоянные значения в рабочем диапазоне частот [3]. Это недостижимо в реальных устройствах, так как полоса рабочих частот всегда ограничена.

В устройствах с переменными состояниями могут быть использованы два способа уменьшения фазового сдвига: автоматическая компенсация фазы или реализация семейства АЧХ с почти одинаковым наклоном по частоте во всем диапазоне. Первый способ существенно усложняет схему, поэтому в инженерной практике наибольшее распространение получил способ компенсации фазового сдвига корректирующими цепями.

Новизна даннойработы заключается в определении условий наименьшего фазового сдвига при ре-