СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в системах передачи и воспроизведения информации, а так же в обзорно-поисковых и сканирующих системах.
Известно устройство для стабилизации скорости вращения ротора электродвигателя постоянного тока (а.с. СССР №1280685 МКИ4 Н02Р 5/06, 1986 г.), содержащее электродвигатель постоянного тока, подключенный к выходу усилителя мощности, датчик частоты вращения двигателя, задающий генератор, соединенный с входом программируемого делителя частоты и первым входом преобразователя период-код, второй вход которого также является входом второго формирователя коротких импульсов и подключен к выходу датчика частоты вращения, первый формирователь коротких импульсов вход которого подключен к выходу программируемого делителя частоты, а выход ко второму входу первого элемента И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента И-НЕ, входы которого через инверторы подключены к выходам реверсивного счетчика, одновременно подключенным к входам третьего элемента И-НЕ, выход которого подключен к второму входу второго элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу второго формирователя коротких импульсов, а выход соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подключен к выходу первого элемента И-НЕ, а установочный вход которого через одновибратор подключен ко второму выходу устройства сравнения, первый информационный вход которого подключен к первому выходу преобразователя период-код, а второй информационный вход является информационным входом программируемого делителя частоты и подключен к выходу блока формирования кода периода задания, ключ первый вход которого подключен к первому выходу устройства сравнения, второй вход является вторым входом четвертого элемента И-НЕ, а выход подключен к входу усилителя мощности.
Недостатками этого устройства являются:
1) Пульсация скорости вращения электропривода во время поддержания заданной скорости в связи с применением релейного режима работы.
2) Необходимость применения преобразователя период-код и устройства сравнения высокой точности и быстродействия.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является стабилизированный электропривод (а.с. СССР №1624649 МКИ5 Н02Р 5/06, 1991 г.), содержащий электродвигатель на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения, частотно-задающий блок (блок задания частоты), последовательно соединенные импульсный частотно-фазовый дискриминатор, статический преобразователь, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя, два формирователя коротких импульсов и последовательно соединенные блок сравнения частот и одновибратор, выход которого подключен к третьему входу импульсного частотно-фазового дискриминатора, первый и второй входы которого через формирователи коротких импульсов подключены соответственно к выходам блока задания частоты и импульсного датчика частоты вращения, первый и второй входы блока сравнения частот подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей коротких импульсов, а блок сравнения частот выполнен в виде схемы И, схемы ИЛИ-НЕ и двух счетчиков импульсов, причем первый и второй входы схемы И объединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ-НЕ и являются соответственно первым и вторым входами блока сравнения частот, выход схемы И подключен к синхровходу первого счетчика импульсов и входу нулевой установки второго счетчика импульсов, синхровход которого подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ, а выход - к входу нулевой установки первого счетчика импульсов, выход которого является выходом блока сравнения частот.
3
Недостатком этого устройства является узкий диапазон регулирования, связанный с зависимостью области начальных условий по Δω в момент опережающей разблокировки от заданной частоты вращения ω.
on
oc
on
oc
При повторном наложении во времени импульсов f и f их периоды отличаются друг от друга на величину, не превышающую τ+τ (длительность импульсов сигналов опорной частоты и частоты обратной связи), то есть
on
on
oc
oc
on
on
oc
T+(τ+τ)>T>T-(τ+τ).
Для обратных величин можно записать
,
или
,
on
oc
on
где σ=(τ+τ)/T.
После преобразования получаем
.
При использовании формирователей коротких импульсов σ<<1, тогда
on
oc
on
f+Δf>f>f-Δf,
on
где Δf≈fσ.
з
on
0
0
Тогда с учетом того, что ω=fφ, где φ=2π/z, z - количество меток ИДЧ, выражение примет вид
з
0
з
0
ω+Δω>ω>ω-Δω,
0
з
где Δω≈ωσ - максимальное отклонение угловой скорости электропривода от заданной в момент опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения.
Выражение для фактического отклонения угловой скорости Δω электропривода от заданной в момент выполнения опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения, может быть представлено в виде:
.
Область начальных условий для организации опережающей разблокировки ИЧФД целесообразно выбирать из условия  (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), чего можно достигнуть только на одной скорости вращения электропривода:
.
Задачей полезной модели является расширение диапазона рабочих частот вращения стабилизированного электропривода.
Известный стабилизированный электропривод, содержит электродвигатель, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения, блок задания частоты, последовательно соединенные импульсный частотно-фазовый дискриминатор и статический преобразователь, формирователь коротких импульсов и последовательно соединенные блок сравнения частот и одновибратор, выход которого подключен к третьему входу импульсного частотно-фазового дискриминатора. Второй вход импульсного частотно-фазового дискриминатора через формирователь коротких импульсов подключен к выходу импульсного датчика частоты вращения. Выход статического преобразователя подключен к якорной обмотке электродвигателя. Второй вход блока сравнения частот подключен к выходу формирователя коротких импульсов. Блок сравнения частот выполненный в виде схемы И, схемы ИЛИ-НЕ и двух счетчиков импульсов, в котором первый и второй входы схемы И объединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ-НЕ и являются соответственно первым и вторым входами блока сравнения частот. Синхровход второго счетчика импульсов подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ, а выход подключен к входу нулевой установки первого счетчика импульсов.
Поставленная задача решена за счет того, что в стабилизированный электропривод введены управляемый формирователь импульсов, последовательно соединенные преобразователь период-код и преобразователь кода. Выход преобразователя кода подключен к второму входу управляемого формирователя импульсов, первый вход которого также является входом преобразователя период-код и подключен к выходу блока задания частоты. Выход преобразователя кода одновременно подключен к первым входам импульсного частотно-фазового дискриминатора и блока сравнения частот. Управляемый формирователь импульсов при этом выполнен в виде генератора высокой частоты, схемы И, счетчика импульсов, схемы сравнения и D-триггера. Синхровход D-триггера является первым входом управляемого формирователя импульсов. R вход D-триггера объединен с R входом счетчика импульсов и подключен к выходу схемы сравнения. Первый вход схемы сравнения подключен к выходу счетчика импульсов. Второй вход схемы сравнения является вторым входом управляемого формирователя импульсов. Синхровход счетчика импульсов подключен к выходу схемы И. Первый вход схемы И подключен к выходу генератора высокой частоты, а второй вход подключен к выходу D-триггера, который также является выходом управляемого формирователя импульсов.
Сущность технического решения пояснена чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства.
Стабилизированный электропривод содержит блок задания частоты 1, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 2, статический преобразователь 3, электродвигатель 4, импульсный датчик частоты вращения 5, управляемый формирователь импульсов 6 и формирователь импульсов 7, блок сравнения частот 8, одновибратор 9, преобразователь период-код 14, преобразователь кода 15. Блок сравнения частот 8 выполнен в виде схемы И 10, схемы ИЛИ-НЕ 11 и двух счетчиков импульсов 12 и 13. Управляемый формирователь импульсов 6 выполнен в виде D-триггера 16, схемы И 17, генератора высокой частоты 18, счетчика импульсов 19 и схемы сравнения 20.
В устройстве последовательно соединены импульсный частотно-фазовый дискриминатор 2 и статический преобразователь 3, выход которого подключен к якорной обмотке электродвигателя 4, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения 5. Выход блока сравнения частот 8 подключен к входу одновибратора 9, выход которого подключен к третьему входу импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. Первый вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 2, объединенный с первым входом блока сравнения частот 8 подключен к выходу управляемого формирователя импульсов 6. Первый вход управляемого формирователя импульсов 6 объединенный с входом преобразователя период-код 14 подключен к выходу блока задания частоты 1. Второй вход управляемого формирователя импульсов 6 через преобразователь кода 15 подключен к выходу преобразователя период-код 14. Второй вход импульсного частотно-фазового дискриминатора 2, объединенный с вторым входом блока сравнения частот 8, через формирователь импульсов 7 подключен к выходу импульсного датчика частоты вращения. Первый и второй входы первой схемы И 10 объединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ-НЕ 11 и являются соответственно первым и вторым входами блока сравнения частот 8. Выход схемы И 10 подключен к синхровходу первого счетчика импульсов 12 и входу нулевой установки второго счетчика импульсов 13. Синхровход второго счетчика импульсов 13 подключен к выходу схемы ИЛИ-НЕ 11, а выход - к входу нулевой установки первого счетчика импульсов 12, выход которого является входом блока сравнения частот 8. Синхровход D-триггера 16 является первым входом управляемого формирователя импульсов 6. R вход D-триггера 16 объединен с R входом счетчика импульсов 19 и подключен к выходу схемы сравнения 20. Первый вход схемы сравнения 20 подключен к выходу счетчика импульсов 19. Второй вход схемы сравнения 20 является вторым входом управляемого формирователя импульсов 16. Синхровход счетчика импульсов 19 подключен к выходу схемы И 17. Первый вход схемы И 17 подключен к выходу генератора высокой частоты 18, а второй вход подключен к выходу D-триггера 16, который также является выходом управляемого формирователя импульсов 6.
Стабилизированный электропривод работает следующим образом.
оп
on
on
on
T
on
При включении питания двигатель 4 начинает разгоняться до синхронной скорости. При этом с выхода блока задания частоты 1 на первый вход управляемого формирователя импульсов 6 и на вход преобразователя период-код 14 подается импульсный сигнал с частотой f, пропорциональной заданной частоте вращения электродвигателя 4. На выходе преобразователя период-код 14 формируется код T пропорциональный периоду частоты вращения электродвигателя 4. С выхода преобразователя период-код 14 код значения T поступает на вход преобразователя кода 15, который может быть выполнен на основе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Преобразователь кода 15 осуществляет преобразование двоичного кода значения T в двоичный код значения N, связанный со значением длительности импульса τ сигнала  зависимостью:
вч
где Т - период сигнала на выходе генератора высокой частоты 18.
Область начальных условий для организации опережающей разблокировки ИЧФД целесообразно выбирать из условия
,
(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 , z - количество меток импульсного датчика.
С учетом того, что
,
получаем
,
или
.
on
oc
При условии, что τ>>τ (обеспечивается тем, что формирователь коротких импульсов 7 формирует импульсы, длительность которых как минимум на порядок меньше длительности импульсов, формируемых на выходе управляемого формирователя импульсов 6) получаем
,
или
.
T
Подставляя полученное значение в (1) получаем выражение определяющее необходимое для эффективной работы электропривода на разных угловых скоростях значение N
T
on
оп
T
on
oc
Полученная функция N(T) рассчитывается и записывается в ПЗУ преобразователя кода 15. На выходе формирователя импульсов 6 по переднему фронту импульса f и по двоичному коду N формируется импульсный сигнал  с длительностью равной значению τ. На входы ИЧФД 2 поступают сигнал задания  с выхода управляемого формирователя импульсов 6, и сигнал обратной связи , поступающий с выхода импульсного датчика частоты вращения 5 через формирователь импульсов 7, формирующий импульсный сигнал , длительность импульсов которого на порядок меньше длительности импульсов, формируемых на выходе управляемого формирователя импульсов 6, по переднему фронту импульса f. При включении питания частота  значительно превышает частоту , что определяет высокий уровень сигнала на выходе дискриминатора 2, который, поступая на вход статического преобразователя 3, усиливающего и преобразующего управляющий сигнал в требуемый ток в обмотках электродвигателя 4, обеспечивает разгон электродвигателя 4 с максимальным ускорением.
on
Управляемый формирователь импульсов служит для формирования на выходе импульсного сигнала с частотой импульсного сигнала поступающего на вход f и с задаваемой преобразователем кода 15 длительностью.
Управляемый формирователь импульсов работает следующим образом.
on
вч
T
D-триггер 16 по переднему фронту импульса f, поступающего на его синхровход, устанавливает свое выходное значение в "1", и таким образом формирует передний фронт импульса сигнала  на выходе управляемого формирователя импульсов 6. С выхода D-триггера 16 сигнал поступает на второй вход схемы И 17. В этот момент через первый вход схемы И 17 на синхровход счетчика импульсов 19 начинают проходить импульсы сигнала f с генератора высокой частоты 18. Двоичный код N формируемый на выходе счетчика импульсов 19 поступает на первый вход схемы сравнения 20, на второй вход которой поступает двоичный код значения N. При совпадении значений двоичных кодов поступающих на входы схемы сравнения 20 на ее выходе формируется импульс, поступающий на R входы схемы сравнения 19 и D-триггера 16, что приводит к сбросу значений на их выходах и к формированию заднего фронта импульса сигнала  на выходе управляемого формирователя импульсов 6.
r
вых
Блок сравнения, частот 8 служит для определения момента времени, когда ошибка по угловой скорости Δω становится меньше Δω, и для формирования в этот момент времени сигнала f, который через одновибратор 9 осуществляет разблокировку импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 в пропорциональный режим работы. Одновибратор 9 служит для формирования импульса заданной длительности, исключающего возможность переключения дискриминатора 2 в режим насыщения сразу после его разблокировки при прохождении двух импульсов  между двумя импульсами  и обеспечивающего дальнейшую работу дискриминатора 2 в пропорциональном режиме по переднему фронту входного импульса.
Блок сравнения частот 8 работает следующим образом.
on
oc
Схема И 10 позволяет определить совпадение входных импульсов блока 8  и  во времени и формирует импульс при их совпадении. Схема ИЛИ-НЕ 11 позволяет определить одновременное отсутствие на ее входах импульсов частот  и , и в этом случае на ее выходе формирует импульс. Двухразрядный счетчик импульсов 12 осуществляет подсчет импульсов с выхода схемы И 10. Сброс счетчика импульсов 12 в состояние "0" осуществляется в момент появления на выходе двухразрядного счетчика импульсов 13 состояния "10" (уровень "1" на выходе второго разряда). Счетчик импульсов 13 осуществляет подсчет импульсов с выхода схемы ИЛИ-НЕ 11. Начальная установка счетчика 13 осуществляется по импульсу с выхода схемы И 10. В момент времени, когда произойдет совпадение во времени входных импульсов  и  не менее двух раз подряд на выходе второго разряда двухразрядного счетчика импульсов 12, который является выходом блока сравнения частот 8, устанавливается состояние "1". На выходе одновибратора 9 формируется импульс, осуществляющий опережающую разблокировку ИЧФД 2. В этом случае периоды сравниваемых частот отличаются друг от друга на величину, не превышающую τ+τ (длительность импулсов сигналов опорной частоты и частоты обратной связи), то есть
on
on
oc
oc
on
on
oc
T+(τ+τ)>T>T-(τ+τ).
Для обратных величин можно записать
,
или
,
где
После преобразования получаем
.
При использовании формирователей коротких импульсов σ<<1, тогда
on
oc
on
f+Δf>f>f-Δf,
on
где Δf≈fσ.
з
on
0
0
Тогда с учетом того, что ω=fφ, где φ=2π/z, z - количество меток ИДЧ, выражение примет вид
з
0
з
0
ω+Δω>ω>ω-Δω,
0
з
где Δω≈ωσ - максимальное отклонение угловой скорости электропривода от заданной в момент опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения.
Выражение для фактического отклонения угловой скорости Δω электропривода от заданной в момент выполнения опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения, может быть представлено в виде:
.
on
oc
Или с учетом того, что τ>>τ и
получаем
0
r
Δω<Δω=Δω,
т.о. область начальных условий при организации опережающей разблокировки ИЧФД соответствует наиболее эффективному по времени синхронизации электропривода диапазону.
Работа электропривода при переходе со скорости на скорость происходит аналогично вышеописанному.
з
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон регулирования скорости вращения стабилизированного электропривода, за счет введения преобразователя период-код, преобразователя кода и управляемого формирователя коротких импульсов выполненного в виде D-триггера, схемы И, генератора высокой частоты, счетчика импульсов и схемы сравнения, которые позволяют устранить зависимость области начальных условий по Δω в момент разблокировки от заданной частоты вращения ω.