ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1999 года по МПК H02P5/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулирования угловой скорости, в частности в электроприводах с широким диапазоном стабилизации угловой скорости, в которых в качестве датчика обратной связи используется сельсин или аналогичное ему устройство, например синусно-косинусный вращающийся трансформатор.

Известен электропривод [1], включающий в себя замкнутый контур регулирования, состоящий из последовательно включенных формирователя, устройства коррекции, фазового дискриминатора, силового ключа, электродвигателя и сельсина, обмотки возбуждения которого через согласующее устройство и первый делитель частоты подключены к выходу генератора задающей частоты, который также соединен через второй делитель со вторым входом фазового дискриминатора. Такое устройство обеспечивает малую погрешность стабилизации угловой скорости, для изменения уровня которой используется согласованное управление первым и вторым делителем частоты. Плавность и диапазон регулирования угловой скорости в таком устройстве относительно невысоки, а регулировочная характеристика существенно нелинейна.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электропривод постоянного тока [2], функциональная схема которого приведена на фиг. 1.

Электропривод содержит электродвигатель 1 с установленным на валу сельсином 2. Генератор 3 задающей частоты через последовательно соединенные первый делитель 4 частоты и согласующий элемент 5 подключен к входу сельсина, выход которого через последовательно соединенные формирователь 6 прямоугольных импульсов и блок 7 коррекции подключен к первому входу фазового дискриминатора 8. Второй вход фазового дискриминатора 8 подключен к выходу второго делителя 9 частоты, первый вход которого соединен с выходом блока 10 задания. Кроме того, электропривод содержит третий делитель 11 частоты, два триггера 12, 13 и логический элемент И 14, выход которого соединен со вторым входом второго делителя 9 частоты. Выход фазового дискриминатора 8 через силовой ключ 15 соединен с якорной обмоткой электродвигателя 1. Первый вход логического элемента И 14 подключен к выходу генератора 3 задающей частоты, первому входу третьего делителя 11 частоты и счетному входу триггера 12, вход сброса которого объединен с его выходом и входом сброса второго триггера 13, прямым выходом соединенным с информационным входом первого триггера 12, а инверсным - со вторым входом логического элемента И 14. Выход третьего делителя 11 частоты подключен к входу установки второго триггера 13, а второй вход - ко второму выходу блока 10 задания.

Такие электроприводы обеспечивают малую погрешность стабилизации угловой скорости при широком диапазоне ее изменения и высокой плавности ее регулирования. Однако, как следует из [2], регулировочная характеристика устройства не является линейной, то есть одинаковое изменение кода задания с блока 10 задания не приводит к пропорциональным им изменениям угловой скорости при разных ее значениях. Это усложняет процесс управления электроприводом особенно при отработке непрерывных траекторий. Кроме того, регулировочная характеристика несимметрична при разных направлениях вращения вала электродвигателя 1.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении, функциональных возможностей электропривода. Для этого в известное устройство введен синтезатор частоты, построенный на базе двоичного нормированного умножителя, мультиплексор, третий триггер и новые взаимосвязи известных элементов, причем вход введенного в известное устройство третьего триггера, а также первый вход синтезатора частоты и вход разрешения мультиплексора подключены к выходу генератора задающей частоты, а третий делитель частоты включен между выходом синтезатора и вторым входом первого триггера. Выход нового триггера соединен со вторым входом второго триггера и с первым и третьим информационными входами мультиплексора, на второй его информационный вход подан сигнал высокого уровня, а на четвертый - низкого. Выход второго триггера подключен к первому управляющему входу мультиплексора, второй управляющий вход которого соединен с блоком задания, который также связан с входами управления синтезатора частоты и третьего делителя. Выход мультиплексора подключен к входу второго делителя частоты.

На фиг. 2 приведена функциональная схема электропривода.

Электропривод содержит электродвигатель 1 с установленным на валу сельсином 2 или многополюсным синусно-косинусным вращающимся трансформатором. Генератор 3 задающей частоты через последовательно соединенные первый делитель 4 частоты и согласующий элемент 5, подключен к входу сельсина 2, выход которого через последовательно соединенные формирователь 6 прямоугольных импульсов и блок 7 коррекции подключен к первому входу фазового дискриминатора 8. Второй вход фазового дискриминатора 8 подключен к выходу второго делителя 9 частоты, вход которого соединен с выходом мультиплексора 10. Кроме того, электропривод содержит третий делитель 11 частоты, три триггера 12, 13, 14 и синтезатор частоты 17, выполненный на базе двоичного нормированного умножителя частоты, выход которого соединен с первым входом третьего делителя 11 частоты. Выход фазового дискриминатора 8 через силовой ключ 15 соединен с якорной обмоткой электродвигателя 1. К выходу генератора 3 задающей частоты подключены первый вход синтезатора частоты 17, вход третьего триггера 14 и вход разрешения работы мультиплексора 10, первый вход управления которого соединен с прямым выходом второго триггера 13, инверсный выход которого подключен к первому входу первого триггера 12, выход которого подключен к первому входу второго триггера 13. Второй вход второго триггера 13 соединен с выходом третьего триггера 14. Второй вход триггера 12 соединен с выходом третьего делителя 11, вход управления которого подключен ко второму выходу блока задания 16. Первый выход блока задания 16 связан со вторым входом синтезатора 17 частоты, а третий выход блока задания 16 связан со вторым управляющем входом мультиплексора 10, первый и третий информационные входы которого подключены к выходу третьего триггера 14. На второй информационный вход мультиплексора 10 подан сигнал высокого уровня, а на четвертый - низкого уровня.

На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу, где цифрами указываются сигналы на выходах соответствующих элементов устройства, при этом сигналы на прямом выходе триггера 13 и втором управляющем входе мультиплексора 10, связанном с блоком задания 16, обозначены цифрами, соответствующими номерам этих элементов.

Электропривод работает следующим образом.

Вращение вала исполнительного электродвигателя 1 и механически связанного с ним ротора сельсина 2, обмотки возбуждения которого подключены к выходу согласующего элемента 5, приводит к появлению на измерительной обмотке сельсина сигнала с частотой f_z, определяемой как

где f₀ - частота питающего сигнала сельсина 2, получаемая после деления частоты генератора 3 первым делителем 4;
Ω - частота вращения вала электродвигателя 1;
p - число пар полюсов сельсина 3.

При этом в случае Ω > 0 f_z>f₀, а при Ω < 0 - f_z<f₀. Прямоугольные импульсы с частотой f_z с выхода формирователя 6 через блок 7 коррекции поступают на первый вход фазового дискриминатора 8. Блок 7 коррекции изменяет фазу выходного сигнала формирователя 6 таким образом, что обеспечивается устойчивая работа электропривода. В квазиустановившемся режиме фазовый сдвиг импульсов на выходе блока 7 коррекции относительно выходного сигнала формирователя 6 равен нулю или некоторой постоянной величине [3], а частоты этих сигналов равны.

На второй вход фазового дискриминатора 8 поступает сигнал частоты задания f₉, получаемый из частоты f₃ генератора 3 задающей частоты путем ее преобразования с помощью делителей 9 и 11, а также синтезатора частоты 17 и мультиплексора 10. Фазовый дискриминатор 8 выявляет разность фаз частоты f₉ задания и обратной связи f₂, причем величина фазового сдвига этих частот пропорциональна интегралу от их разности, а следовательно, и интегралу от ошибки стабилизации угловой скорости Ω[3]. Отсюда следует, что в квазиустановившемся режиме работы имеет место следующее равенство:
f₂ = f₉. (2)
Широтно-импульсный сигнал с выхода фазового дискриминатора 8 с частотой следования импульсов f₂, длительность которого определяется разностью фаз частот f₉ и f₇, усиливается силовым ключом 15 и поступает на якорную обмотку электродвигателя 1.

Для задания уровня угловой скорости используется блок 16, который управляет работой синтезатора 17 частоты, мультиплексора 10 и третьего делителя частоты 11. При этом значение частоты f₁₇ на выходе синтезатора 17 частоты, построенного на базе двоичного нормированного умножителя частоты [4], определяется как:

где f₃ - частота сигнала генератора 3 задающей частоты;
K₁₇ - код управления синтезатором 17 частоты, поступающий с первого выхода блока 16 задания;
N - число разрядов двоичного нормированного умножителя частоты, которое может изменяться от 6 до 12.

Частота f₁₁ на выходе делителя 11 определяется выражением

где K₁₁ - коэффициент пересчета делителя 11, значение которого задается блоком 16.

Мультиплексор 10 осуществляет передачу сигнала с одного из его информационных входов на выход блока в зависимости от значения сигналов на его входах управления при низком значении напряжения на входе разрешения мультиплексора 10.

Изменение направления вращения электродвигателя 1 осуществляется при изменении уровня сигнала на втором управляющем входе мультиплексора 10.

В исходном состоянии на прямом выходе триггера 13 присутствует сигнал низкого уровня. Частота на выходе триггера 14 - f₁₄ в два раза меньше частоты генератора 3 задающей частоты f₃.

В режиме 0 (фиг. 3) электропривод работает в режиме силового удержания при нулевом значении угловой скорости вала электродвигателя 1. При этом код управления синтезатором 17 частоты равен нулю, а следовательно
f₁₇ = 0,
то есть сигнал на выходе делителя 11 частоты остается неизменным, а следовательно, триггеры 12 и 13 не переключаются. В зависимости от значения сигнала на втором управляющем входе мультиплексора 10 (рассмотрен случай, когда этот сигнал низкого уровня) при низком потенциале на входе разрешения к его выходу оказываются подключенными первый или третий информационный входы мультиплексора 10, то есть выходы триггера 14. При высоком уровне этого сигнала на выходе мультиплексора 10 появляется напряжение высокого уровня на время, равное длительности низкого уровня сигнала генератора 3 задающей частоты. Частота следования этих импульсов равна f₁₄. Частота сигнала на выходе делителя 9 частоты f₉, определяемая как

где f₁₀ - частота на выходе мультиплексора 10;
K₉ - коэффициент пересчета делителя 9, равна частоте питания сельсина 2 - f₅.

Как следует из (1), это соответствует нулевому значению угловой скорости Ω вала электродвигателя 1.

Режим 1 фиг. 3 соответствуют случаю, когда частота вращения вала электродвигателя 1Ω > 0. В этом случае сигнал на втором управляющем входе мультиплексора 10 имеет низкий уровень, а код управления синтезатором 17 частоты отличен от нуля, а на выходе делителя 11 частоты присутствуют импульсы, частота следования которых определяется выражением:

До момента появления фронта сигнала на выходе делителя 11 работа устройства аналогична режиму 0. Фронт выходного сигнала делителя 11 устанавливает на выходе триггера 12, а следовательно и на первом входе триггера 13, высокий уровень сигнала. Поэтому появление фронта на выходе триггера 14 приводит к появлению сигнала низкого уровня на инверсном выходе триггера 13, который переводит триггер 12 в исходное состояние. При высоком уровне сигнала на прямом выходе триггера 13 и соответственно на первом управляющем входе мультиплексора 10 разрешается прохождение сигнала со второго его информационного входа на выход при низком уровне сигнала на входе разрешения работы. Так как на втором информационном входе присутствует сигнал высокого уровня, то на выходе мультиплексора 10 возникает сигнал такого же уровня независимо от состояния триггера 14. Сброс триггера 13 осуществляется следующим фронтом выходного сигнала триггера 14, а за это время на выходе мультиплексора 10 возникают два положительных импульса. Поэтому в течение периода выходного сигнала делителя 11 с частотой f₁₁, равного

на выходе мультиплексора появляется (К+1) импульс, где К - число импульсов с частотой f₁₄, определяемое как

Среднее значение частоты f₁₀ сигнала на выходе мультиплексора 10 с учетом (7) и (8) определяется как:

Частота вращения вала двигателя Ω исходя из (1), (5) и (9) вычисляется как

Минимальная частота вращения Ω_MIN при постоянной величине коэффициента пересчета делителя 11 частоты - К₁₁ обеспечивается, когда K₁₇ = 1. Значение этой угловой скорости исходя из (10) определяется как

Диапазон регулирования угловой скорости вала электродвигателя 1 при использовании 8-разрядного синтезатора 17 частоты и делителя 11 частоты с максимальным значением коэффициента пересчета, равным 2¹⁶, составляет 2²³.

Плавность регулирования частоты ΔΩ обеспечивается синтезатором 17 частоты вращения и может определена как:

Из (10) и (12) следует, что регулировочная характеристика электропривода относительно задающего сигнала синтезатора 17 частоты является линейной, что облегчает процесс управления электроприводом. Посредством делителя 11 частоты обеспечивается выбор необходимого значения плавности регулирования частоты вращения электродвигателя 1.

Режим 2 фиг. 3 соответствуют случаю, когда частота вращения вала электродвигателя 1Ω < 0. В этом случае сигнал на втором управляющем входе мультиплексора 10 имеет высокий уровень, код управления синтезатором 17 частоты отличен от нуля, а на выходе делителя 11 частоты присутствуют импульсы, частота следования которых определяется (6).

До момента появления фронта сигнала на выходе делителя 11 работа устройства аналогична режиму 0. Фронт выходного сигнала делителя 11 устанавливает высокий уровень сигнала на выходе триггера 12 и на первом входе триггера 13. Фронт выходного сигнала триггера 14 приводит к появлению сигнала низкого уровня на инверсном выходе триггера 13, что переводит триггер 12 в исходное состояние. При высоком уровне сигнала на первом управляющем входе мультиплексора 10 запрещается прохождение импульсов с выхода триггера 14 на выход мультиплексора 10, так как на его четвертом информационном входе присутствует сигнал низкого уровня. Сброс триггера 13 осуществляется следующим фронтом выходного сигнала триггера 14. Поэтому в течение периода частоты f₁₁, определяемого по (7), на выходе мультиплексора возникает (К-1) импульс.

Среднее значение частоты f₁₀ на выходе мультиплексора 10 с учетом (7) и (8) определяется как:

Плавность регулирования и диапазон изменения угловой скорости вала электродвигателя 1 в этом случае определяется выражениями (12) и (11), и регулировочная характеристика электропривода относительно нулевого значения угловой скорости является симметричной.

Уровень угловой скорости не зависит от напряжения питающей сети и колебаний температуры, а определяется только нестабильностью генератора 3 задающей частоты. При стабилизации частоты генераторa 3 кварцевым резонатором погрешность задания частоты вращения вала электродвигателя 1 составляет 10^-4 - 10^-5%.

Реализация устройства на базе микро-ЭВМ или однокристального микроконтроллера обеспечивает реализацию необходимого закона управления частотой вращения с помощью программных средств.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам стабилизации угловой скорости, построенным на принципе контура фазовой синхронизации, в которых в качестве датчика обратной связи используется сельсин или многополюсный синусно-косинусный вращающийся трансформатор. Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей электропривода. Для достижения поставленной цели в известное устройство введены триггер, синтезатор частоты, построенный на базе нормированных двоичных умножителей частоты и мультиплексор, а также новые взаимосвязи между известными элементами. 3 ил.

Электропривод содержит контур регулирования частоты вращения, состоящий из последовательно включенных сельсина, формирователя прямоугольных импульсов и блока коррекции, причем выход последнего соединен с первым входом фазового дискриминатора, выход которого через последовательно соединенные силовой ключ и двигатель соединен с установленным на его валу сельсином, обмотки возбуждения которого через согласующий элемент и первый делитель подключены к генератору задающей частоты, второй делитель частоты, соединенный со вторым входом фазового дискриминатора, первый и второй триггеры, причем инверсный выход последнего подключен к первому входу первого триггера, выход которого соединен с первым входом второго триггера, а также третий делитель и блок задания, второй выход которого соединен со вторым входом третьего делителя, отличающийся тем, что в него введены третий триггер, синтезатор частоты, выполненный на базе двоичного нормированного умножителя частоты, а также мультиплексор, выход которого соединен со входом второго делителя, а первый и третий информационные входы подключены ко второму входу второго триггера и выходу третьего триггера, вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, входом разрешения мультиплексора и первым входом синтезатора, выход которого соединен с первым входом третьего делителя частоты, причем выход последнего связан со вторым входом первого триггера, в то время как первый выход блока задания связан со вторым входом синтезатора частоты, а третий выход блока задания связан со вторым входом управления мультиплексора, первый вход управления которого подключен к прямому выходу второго триггера, при этом на второй информационный вход мультиплексора подается сигнал высокого уровня, а на четвертый - низкого уровня.