ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1994 года по МПК H02P5/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации скорости вращения электродвигателей постоянного тока.

Известно устройство для стабилизации скорости электродвигателя постоянного тока (авт.св. N 221786, кл. 21с, 46/60, 1968), обеспечивающее сравнение частоты эталонного генератора с частотой датчика скорости, в котором при рассогласовании частот в зависимости от знака блокируется в соответствующее состояние триггер, управляющий усилителем мощности, а следовательно, и скоростью электродвигателя.

Недостатками устройства являются сложность и низкая надежность, обусловленная критичностью устройства к переменным параметрам запускающих импульсов.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для стабилизации скорости электродвигателя постоянного тока (авт.св. СССР N 372631, кл. H 02 P 5/06, 1971), содержащее генератор эталонной частоты, датчик частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, выходы которых соединены соответственно с первыми входами второго и третьего триггеров, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам первого триггера, а выходы через дифференцирующие цепочки соединены соответственно с первым и вторым входами первого триггера, второй выход которого соединен с входом усилителя мощности, нагруженного на электродвигатель.

Однако такое устройство имеет низкие надежность и точность синхронизации. Это обусловлено тем, что устройство критично к выбору временных параметров импульсов, формируемых дифференцирующими цепочками, и длительности импульсов, формируемых эталонным генератором и датчиком частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя.

Для достижения максимальной точности синхронизации сигналов генератора эталонной частоты f_э и датчика частоты f_д, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, и обеспечения устойчивой работы устройства длительность импульсов, формируемых дифференцирующими цепочками, должна быть очень короткой, но достаточной для надежного переключения первого триггера, подключенного к усилителю мощности, по любому из входов и выбирается с учетом температурной нестабильности f_э и f_д элементов дифференцирующих цепочек и наименьшего влияния длительности импульсов на работу первого триггера после его переключения.

Аналогичные требования предъявляются и к длительности импульсов f_э и f_д, формируемых генератором эталонной частоты и датчиком частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, управляющих работой второго, третьего триггеров и устройства в целом. При этом длительность импульсов дифференцирующих цепочек f_э, f_д характеризует зону нечувствительности, в которой устройство невосприимчиво к воздействию следующих друг за другом и перекрывающихся во времени импульсов f_э и f_д.

Использование для укорочения длительности импульсов f_э и f_д дифференцирующих цепочек приводит к снижению надежности или точности синхронизации, а использование в качестве укорачивающих цепей устройств тактовой синхронизации значительно усложняет устройство, так как требует дополнительных аппаратурных затрат, превышающих объем самого устройства.

Таким образом, длительность импульсов, формируемых дифференцирующими цепочками, генератором эталонной частоты f_э и датчиком частоты f_д, ограничивает надежность и точность синхронизации устройства, причем эти параметры находятся в противоречии друг к другу, так как при минимальной длительности импульсов снижается надежность переключения триггеров, но уменьшается зона нечувствительности и повышается соответственно точность синхронизации устройства и наоборот.

Практика эксплуатации устройства в различных климатических условиях показала, что для разрешения этого противоречия необходима тщательная подгонка параметров элементов времязадающих цепей дифференцирующих цепочек и импульсов f_э, f_д.

Цель изобретения - повышение надежности и точности синхронизации.

Это достигается тем, что в электропривод, содержащий последовательно соединенные усилитель мощности, электродвигатель и датчик частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, генератор эталонной частоты и три триггера, причем вход первого триггера и вход усилителя мощности соединены соответственно с R-входами второго и третьего триггеров, введены четыре триггера и элемент НЕ, выход которого соединен с входом усилителя мощности и R-входом четвертого триггера, а вход, объединенный с R-входом пятого триггера, подключен к выходу первого триггера, R- и S-входы которого подключены соответственно к выходам четвертого и пятого триггеров, С-входы которых, объединенные соответственно с R-входами шестого и седьмого триггеров, подключены к выходам второго и третьего триггеров, S-входы которых подключены соответственно к выходам шестого и седьмого триггеров, С-входы которых подключены соответственно к выходам генератора эталонной частоты и датчика частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что электропривод отличается тем, что в него введены четыре триггера и элемент НЕ, выход которого соединен с входом усилителя мощности и R-входом четвертого триггера, а вход, объединенный с R-входом пятого триггера, подключен к выходу первого триггера, R- и S-входы которого подключены соответственно к выходам четвертого и пятого триггеров, С-входы которых, объединенные соответственно с R-входами шестого и седьмого триггеров, подключены к выходам второго и третьего триггеров, S-входы которых подключены соответственно к выходам шестого и седьмого триггеров, С-входы которых подключены соответственно к выходам генератора эталонной частоты и датчика частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя.

Введение четвертого и пятого триггеров с их связями позволило исключить из устройств дифференцирующие цепочки и сформировать на выходах этих триггеров короткие импульсы, длительность которых зависит только от быстродействия используемой элементной базы, и обеспечивает надежное переключение первого триггера, при этом полностью исключается влияние временных параметров этих импульсов на точность синхронизации. Введение шестого и седьмого триггеров позволило сформировать на выходах этих триггеров короткие импульсы, длительность которых также зависит только от быстродействия используемой элементной базы, при этом снимаются ограничения, предъявляемые в прототипе к длительности импульсов f_э и f_д, вырабатываемых генератором эталонной частоты и датчиком частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, и тем самым добиться максимальной точности синхронизации. Введение элемента НЕ обеспечило однозначную начальную установку первого триггера в одно из состояний. Все это позволяет достичь положительный эффект, выражающийся в повышении надежности и точности синхронизации устройства.

На чертеже представлена структурная схема электропривода.

Электропривод содержит генератор 1 эталонной частоты и датчик 2 частоты, пропорциональной скорости электродвигателя, выходы которых соединены соответственно с С-входами триггеров 3 и 4. Выходы триггеров 3 и 4 соединены соответственно с S-входами триггеров 5 и 6, выходы которых соединены соответственно с объединенными R-входом триггера 3 и С-входом триггера 4 и С-входом триггера 8. Выходы триггеров 7 и 8 соединены соответственно с R- и S-входами триггера 9, выход которого соединен с объединенными R-входами триггеров 5, 8 и входом элемента НЕ 10, выход которого соединен с объединенными R-входами триггеров 6, 7 и входом усилителя 11 мощности, нагруженного на электродвигатель 12.

В качестве триггеров 3 и 4 могут быть использованы D-триггеры 564 ТМ2, в качестве триггеров 5, 6 и 9 - RS-триггеры 1533 ТР2, в качестве элемента НЕ 10 - 1533 ЛН1, а в качестве триггеров 7 и 8 - D-триггеры, выполненные на базе IK-триггеров 1533 ТВ6.

Электропривод работает следующим образом.

При включении электропривода триггер 9 однозначно ориентируется в одно из состояний, так как низкий потенциал на выходе триггера 9 или элемента НЕ 10 ориентирует триггеры 7 и 8 в нулевое состояние, при этом разблокируется соответственно R- или S-вход триггера 9, после чего состояние триггера 9 определяется уровнем потенциала соответственно на S- или R-входе. Исходное состояние триггеров 3. . .6 зависит от состояния триггера 9 и соотношения временных параметров между импульсами fэ и fд.

Предлагают, что в момент включения электропривода триггер 9 установился в состояние "1" ("0" - низкий потенциал, а "1" - высокий потенциал на прямом выходе триггера), при этом на инверсном выходе триггера 9 устанавливается низкий потенциал, ориентирующий триггеры 5 и 8 в состояние "0", после чего на инверсном выходе триггера 8 и S-входе триггера 9 устанавливается высокий потенциал. Триггер 7 находится в состоянии "0", так как триггер 9 может установиться в состояние "1" только тогда, когда на его R-входе высокий потенциал. Триггеры 3 и 4 в момент включения ориентируются за счет обратных связей соответственно с триггерами 5 и 6 в состояние "0". Исходное состояние триггера 6 может быть любым, например "1". По С-входам триггеры 3 и 4 переключаются по фронту (положительному перепаду) импульсов f_э и f_д, а триггеры 7 и 8 - по спаду импульсов, формируемых на выходах триггеров 5 и 6. По R-входам триггеры 3 и 4 переключаются высокими потенциалами, а триггеры 7 и 8 - низкими потенциалами. По R- и S-входам триггеры 5, 6 и 9 переключаются низкими потенциалами.

По фронту первого импульса f_э триггер 3 переключается в состояние "1" и на его инверсном выходе устанавливается низкий потенциал, переключающий в свою очередь триггер 5 по S-входу в состояние "1". На прямом выходе триггера 5 устанавливается высокий потенциал, возвращающий триггер 3 в исходное состояние. Состояние триггера 7 при этом не меняется. Так как на R-входе триггера 5 сохраняется низкий потенциал, то после ориентации триггера 3 в исходное состояние триггер 5 тоже возвращается в исходное состояние, при этом по спаду импульса на его прямом выходе триггер 7 переключается в состояние "1". На инверсном выходе триггера 7 устанавливается низкий потенциал, переключающий триггер 9 в состояние "0". На инверсном выходе триггера 9 устанавливается высокий потенциал, а на выходе элемента НЕ 10 - низкий потенциал, который возвращает триггер 7 в состояние "0", и на R-входе триггера 9 вновь устанавливается высокий потенциал.

Таким образом, на выходах триггеров 3 и 9 формируются короткие импульсы, длительность которых зависит только от быстродействия используемой элементной базы, но достаточна (за счет обратных связей между триггерами 3, 5 и 7, 9) для надежного переключения триггеров 5 и 9.

Одновременно низкий потенциал, возникающий на выходе элемента НЕ 10 после переключения триггера 9 в состояние "0", ориентирует триггер 6 в состояние "0", при этом по спаду напряжения, возникающему на его прямом выходе, триггер 8 и вслед за ним триггер 9 переключаются в состояние "1". Низкий потенциал вновь возвращает триггер 8 в исходное состояние "0".

Таким образом, по окончании первого импульса fэ на выходе триггера 8 аналогично триггеру 7 формируется очень короткий импульс, обеспечивающий надежное переключение триггера 9 в состояние "1".

По фронту второго импульса f_э аналогично первому импульсу f_э на выходе триггеров 3 и 5 формируются соответственно короткие отрицательный и положительный импульсы. По спаду импульса, сформированного на выходе триггера 5, триггер 7 и вслед за ним триггер 9 переключаются соответственно в состояние "1" и "0", после чего триггер 7 вновь возвращается в исходное состояние "0". С момента установления триггера 9 в состояние "0" к электродвигателю 12 через усилитель 11 мощности подключается напряжение питания.

По фронту третьего импульса f_э триггер 3, а затем и триггер 5 вновь переключаются в состояние "1", после чего триггер 3 возвращается в исходное состояние "0", а триггер 5 остается в состоянии "1", так как по второму импульсу f_э на его R-входе был установлен высокий потенциал. Последующие импульсы f_э не меняют состояние электропривода.

По мере разгона электродвигателя на триггер 4 с выхода датчика 2 частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, начинают поступать импульсы f_д. По фронту импульса f_д триггер 4, а затем и триггер 6 переключаются в состояние "1", после чего высокий потенциал на выходе триггера 6 возвращает триггер 4 в исходное состояние "0". Так как на R-входе триггера 6 присутствует низкий потенциал, то вслед за триггером 4 триггер 6 также возвращается в исходное состояние, при этом по спаду положительного импульса, сформированного на его выходе, триггер 8 формирует импульс, переключающий триггер 9 в состояние "1", при этом триггер 5, а затем и триггер 7 устанавливаются соответственно в состояния "0" и "1". При переключении триггера 5 на выходе триггера 7 аналогично вышеописанным случаям формируется короткий импульс, возвращающий триггер 9 в исходное состояние "0". Следующий за импульсом f_д импульс f_э переключает триггер 5 в состояние "1", а остальные триггеры остаются в прежнем состоянии.

Электродвигатель продолжает разгоняться. Частота импульсов f_д увеличивается, и в один из периодов импульсов f_э приходят подряд два импульса f_д. Первый импульс f_д, как рассмотрено выше, для случая двух подряд импульсов f_э переключает триггер 5 в состояние "0", а остальные триггеры остаются в прежнем состоянии. Второй импульс f_д переключает триггер 9 в состояние "1", которое затем сохраняется, так как триггер 5 находится в состоянии "0".

Следующий импульс f_э переключает триггер 9 в состояние "0". Под действием чередующихся импульсов f_э и f_д и переключения триггера 9 устанавливается режим фазового регулирования и электродвигатель входит в синхронизм с частотой эталонного генератора.

Если под действием каких-либо возмущений скорость электродвигателя станет выше или ниже синхронной, то триггер 9 устанавливается соответственно в состояние "1" или "0".

Таким образом, в предлагаемом электроприводе полностью исключается влияние временных параметров сигналов, управляющих работой фазового триггера 9, и сигналов, вырабатываемых генератором эталонной частоты и датчиком частоты, пропорциональной скорости вращения электродвигателя, на работу триггеров 5, 7 и устройства в целом. Все это позволяет повысить надежность электропривода и уменьшить зону его нечувствительности к воздействию следующих друг за другом и перекрывающихся во времени импульсов f_э и f_д, а значит, повысить точность синхронизации электропривода.

Изобретение может быть использовано в электромеханических регистраторах гидроакустической информации эхолотовых систем. Сущность: в электроприводе обеспечивается блокировка фазового триггера 9 в одно из состояний при неравенстве частот генератора 1 эталонной частоты и датчика 2 частоты. Снятие блокировки поступления импульсов с генератора 1 эталонной частоты или датчика 2 частоты на фазовый триггер 9 происходит после того, как появлятся подряд два или более импульсов одной из последовательностей, между которыми отсутствуют импульсы другой последовательности. 1 ил.

ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий электродвигатель, якорная обмотка которого соединена с усилителем мощности, датчик частоты вращения электродвигателя, генератор эталонной частоты и три триггера, причем выход первого триггера и вход усилителя мощности соединены соответственно с R-входами второго и третьего триггеров, отличающийся тем, что введены четыре триггера и элемент НЕ, выход которого соединен с входом усилителя мощности и R-входом четвертого триггера, а вход, объединенный с R-входом пятого триггера, подключен к выходу первого триггера, R- и S-входы которого подключены соответственно к выходам четвертого и пятого триггеров, c-входы которых, объединенные соответственно с R-входами шестого и седьмого триггеров, подключены к выходам второго и третьего триггеров, S-входы которых подключены соответственно к выходам шестого и седьмого триггеров, C-входы которых подключены соответственно к выходам генератора эталонной частоты и датчика частоты вращения электродвигателя.