ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2005 года по МПК H02P5/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулирования угловой скорости, в частности электроприводов, построенных на базе принципов фазовой синхронизации.

Известен ряд электроприводов [1], построенных на базе цифровых измерителей скорости, основным элементом которых являются фотоимпульсные датчики [2, 3]. В большинстве цифровых измерителей скорости ее величина определяется путем подсчета количества импульсов датчика за фиксированный промежуток времени или путем измерения длительности одного или нескольких периодов сигнала фотоимпульсного датчика [1, 3]. Первый способ построения цифровых измерителей скорости характеризуется низкой погрешностью ее измерения в области больших значений угловой скорости. При втором способе с повышением величины измеряемой скорости точность ее измерения падает. В зоне низких и инфранизких угловых скоростей даже при использовании измерительных преобразователей с высокой разрешающей способностью период квантования их выходного сигнала достигает столь больших значений, что обеспечение малой погрешности стабилизации регулируемых координат путем подсчета количества импульсов или измерения периода сигнала датчика становится практически невозможной. Поэтому в прецизионных системах электропривода используются сельсины, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы или фотоэлектрические растровые интерполяторы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электропривод постоянного тока [4], функциональная схема которого приведена на фиг.1.

Электропривод содержит двигатель 1, с валом которого связан измеритель скорости 2. Якорная обмотка двигателя 1 включена к выходам (5.3) и (5.4) силового преобразователя 5. Эти выходы соединены в диагональ моста силового преобразователя 5, выполненного на транзисторах 6-9. Модулирующий (5.1) и реверсирующий (5.2) входы силового преобразователя 5 соединены с первым (3.3) и вторым (3.4) выходами частотно-фазового дискриминатора 3. К первому входу частотно-фазового дискриминатора 3 через первый делитель частоты 19 подключен генератор задающей частоты 4. Частотно-фазовый дискриминатор 3 содержит четыре триггера (10-13), два элемента "ИЛИ" (14, 15) и два элемента "И" (16, 17). Счетные входы первого 10 и второго 11 триггеров подключены к первому (3.1) входу частотно-фазового дискриминатора 3, второй вход которого (3.2) связан со счетными входами третьего 12 и четвертого 13 триггеров. Информационные входы первого 10 и третьего 12 триггеров связаны с выходами элементов "ИЛИ" 14 и 15 соответственно. Входы сброса триггеров 10 и 12 соединены с выходом первого элемента "И" 16, второй вход которого связан с выходом триггера 12, информационным входом триггера 11 и вторым входом элемента "ИЛИ" 14. Первый вход последнего соединен с первым выходом частотно-фазового дискриминатора 3 - (3.3), выходом триггера 11 и первым входом элемента "И" 17. Второй вход элемента "И" 17 связан со вторым выходом (3.3) частотно-фазового дискриминатора 3, выходом триггера 13 и вторым входом элемента "ИЛИ" 15, первый вход которого соединен с первым входом элемента "И" 16, выходом триггера 10 и информационным входом триггера 13. Входы установки триггеров 11 и 13 подключены к выходу элемента "И" 17. Измеритель скорости 2 содержит фотоимпульсный датчик скорости 20, второй 26 и третий 27 делители частоты, четыре триггера (21-24) и мультиплексор 25. Выход мультиплексора 25 через второй делитель частоты 26 соединен со вторым входом частотно-фазового дискриминатора 3. Первый адресный вход мультиплексора 25 подключен к входу сброса второго триггера 22 измерителя скорости 2 и выходу триггера 24. Второй адресный вход мультиплексора 25 соединен с выходом первого триггера 21 измерителя скорости 2, информационный и счетный входы которого соединены с первым и вторым выходами фотоимпульсного датчика скорости 20. Информационный вход триггера 24 соединен с выходом триггера 22, счетный вход которого связан со вторым выходом фотоимпульсного датчика скорости 20. Счетный вход триггера 24, второй и четвертый информационные входы мультиплексора 25 соединены с выходом триггера 23. Вход триггера 23 подключен к выходу третьего делителя частоты 27 и входу управления мультиплексора 25. На первый информационный вход мультиплексора 25 подан сигнал логического нуля, а на третий - логической единицы. К генератору 4 задающей частоты подключен вход третьего делителя частоты 27.

Такой электропривод обеспечивает широкий диапазон регулирования угловой скорости и сравнительно малую погрешность ее стабилизации. Погрешность стабилизации управляемых координат определяется возможностями используемого фотоимпульсного датчика положения, а именно его разрешающей способностью. Однако ее может быть недостаточно для получения высоких качественных показателей работы электропривода. Кроме того, в известном устройстве возможен пропуск одного или нескольких фронтов входного сигнала при их следовании с интервалом, меньшим периода выходного сигнала третьего делителя 27 частоты. Также возможно появление ложных импульсов при наличии синфазных помех, возникающих в моменты изменения одного из выходных сигналов фотоимпульсного датчика скорости.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении точности стабилизации управляемых координат за счет уменьшения погрешности их измерения, устранении пропадания импульсов с выхода используемого датчика и увеличении помехозащищенности от синфазных помех, что приводит к расширению сферы применения устройства в широкодиапазонных электроприводах. Это достигается умножением числа импульсов сигнала фотоимпульсного датчика и использованием средств защиты от совпадения импульсов выходных сигналов измерительного устройства.

Для этого в известное устройство введены средства, обеспечивающие увеличение частоты сигнала с фотоимпульсного датчика скорости за счет формирования импульсов по перепаду сигнала на каждом его выходе, а также обеспечивающие защиту от пропуска моментов изменения выходных сигналов датчика и синфазных помех.

Для реализации предлагаемых возможностей в известное устройство введены шесть триггеров (Т5-Т10), три элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", два элемента "ИЛИ", элемент "И", элемент "ИЛИ-НЕ" и мультиплексор. Триггеры Т6-Т7 и Т8-Т10 включены по схеме сдвигающих регистров, информационные входы триггеров Т6 и Т8 подключены к первому и второму выходу фотоимпульсного датчика скорости. Выходы триггеров Т6, Т7 связаны с входами первого элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", выход которого соединен с первыми входами элементов "И" и "ИЛИ-НЕ", выходы которых подключены ко входам второго элемента "ИЛИ". Выход этого элемента связан со счетными входами первого триггера измерителя скорости и триггера Т5, к выходу которого подключен третий вход первого элемента "ИЛИ", первый вход которого соединен со входом сброса триггера Т5 и выходом третьего триггера измерителя скорости. Выход первого элемента "ИЛИ" связан со счетными входами триггеров Т8, Т6, выходы которых соединены с первым и вторым адресным входами введенного в устройство мультиплексора. Его третий адресный вход подключен к выходу третьего элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", первый и второй входы которого соединены с выходами триггеров Т8 и Т10 соответственно. На первый, четвертый, шестой и седьмой информационные входы мультиплексора, введенного в устройство, подан сигнал логического нуля, а на второй, третий, пятый и восьмой его информационные входы - сигнал логической единицы. Выход введенного в устройство мультиплексора соединен с информационным входом первого триггера измерителя скорости. Выходы триггеров Т8, Т9 связаны с входами второго элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", выход которого соединен со вторыми входами элементов "И" и "ИЛИ-НЕ". Счетные входы триггеров Т8, Т9, Т10 и второй вход первого элемента "ИЛИ" подключены к выходу генератора задающей частоты.

На фиг.2 приведена функциональная схема электропривода. Электропривод содержит двигатель 1, с валом которого связан фотоимпульсный датчик скорости 8. Якорная обмотка двигателя 1 подключена к выходам (5.3) и (5.4) силового преобразователя 5, выполненного на транзисторах по мостовой схеме, что обеспечивает возможность изменения полярности напряжения, питающего двигатель 1. Модулирующий (5.1) и реверсирующий (5.2) входы силового преобразователя 5 соединены с первым (3.3) и вторым (3.4) выходами реверсивного частотно-фазового дискриминатора 3. К первому входу (3.1) частотно-фазового дискриминатора 3 через первый делитель частоты 9 подключен генератор задающей частоты 4. Преобразователь 2 сигнала датчика содержит второй 6 и третий 7 делители частоты, четыре триггера (10-13) и первый мультиплексор 14. Выход мультиплексора 14 через второй делитель частоты 6 соединен со вторым (3.2) входом частотно-фазового дискриминатора 3. Первый адресный вход первого мультиплексора 14 подключен к входу сброса триггера 11, выходу триггера 12 и соединен с первым входом первого элемента "ИЛИ" 28 и входом сброса триггера 15. Второй адресный вход первого мультиплексора 14 соединен с выходом триггера 10, информационный вход которого подключен к выходу второго мультиплексора 27. Счетные входы первого 10 и второго 11 триггеров подключены к выходу второго элемента "ИЛИ" 26. Выход триггера 11 соединен с информационным входом триггера 12, счетный вход которого вместе со вторым и четвертым информационными входами мультиплексора 14 подключен к выходу четвертого триггера 13. Вход триггера 13 подключен к выходу третьего делителя 7 частоты и входу управления мультиплексора 14. На первый информационный вход мультиплексора 14 подан сигнал логического нуля, а на третий - логической единицы. К выходу генератора 4 задающей частоты подключен вход третьего делителя частоты 7, второй вход первого элемента "ИЛИ" 28 и счетные входы триггеров 17, 20 и 21. Первый (8.1) и второй (8.2) выходы фотоимпульсного датчика скорости 8 соединены с информационными входами триггеров 16 и 19 соответственно. Счетные входы этих триггеров подключены к выходу первого элемента "ИЛИ" 28, третий вход которого связан с выходом триггера 15. Счетный вход триггера 15 связан с выходом второго элемента "ИЛИ" 26, первый и второй входы которого соединены с выходами элементов "И" 24 и "ИЛИ-НЕ" 25 соответственно. Первые входы этих элементов соединены с выходом первого элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" 18. Вторые входы элементов "И" 24 и "ИЛИ-НЕ" 25 подключены к выходу второго элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" 22. Первый и второй входы элемента 18 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" связаны с выходами триггеров 17 и 16 соответственно. К выходу триггера 16 подключен информационный вход триггера 17 и второй адресный вход второго мультиплексора 27, третий адресный вход которого связан с выходом третьего элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" 23. Первый вход этого элемента соединен с выходом триггера 19, первым адресным входом мультиплексора 27, информационным входом триггера 20 и первым входом второго элемента 22 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", второй вход которого связан с выходом триггера 20 и информационным входом триггера 21, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" 23. На первый, четвертый, шестой и седьмой информационные входы мультиплексора 27 подан сигнал логического нуля, а на второй, третий, пятый и восьмой его информационные входы - сигнал логической единицы.

На фиг.3-6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу электропривода, где цифрами обозначены сигналы на выходах соответствующих элементов устройства.

Устройство работает следующим образом.

Электропривод представляет собой систему фазовой синхронизации, в которой управление скоростью двигателя 1 осуществляется посредством силового преобразователя 5 в функции фазового рассогласования частотного сигнала задания, поступающего от генератора 4 через первый 9 делитель частоты, и сигнала обратной связи, получаемого после преобразования импульсов с фотоимпульсного датчика скорости 8. Выявление величины фазового рассогласования осуществляется посредством частотно-фазового дискриминатора 3. Во всех режимах работы электропривода вращение вала двигателя 1 и механически связанного с ним фотоимпульсного датчика 8 приводит к появлению на его первом и втором выходах импульсных сигналов, находящихся в квадратуре [2]. Частота следования импульсов f₈ определяется как

где: Ω - угловая скорость вала двигателя 1;

р - число меток фотоимпульсного датчика 8.

Устройство обеспечивает формирование выходного сигнала по каждому изменению сигналов на выходах фотоимпульсного датчика 8. Так как используются две квадратурные последовательности импульсов, частота измеряемого сигнала, снимаемого с элемента 26 "ИЛИ", f₂₆ определяется как

При этом сохраняется строгое соответствие между направлением вращения вала двигателя 1 и значениями сигналов 8.1 и 8.2 на выходах фотоимпульсного датчика скорости 8 и признаком сигнала на одном из выходов датчика 8. Для определения направления вращения вала двигателя используется мультиплексор 27. Значения его выходного сигнала В27 для моментов изменения выходных сигналов фотоимпульсного датчика 8 при различном направлении вращения вала двигателя 1 представлены в таблице 1.

Таблица 1Направление вращения8.18.2Изменение 8.1Изменение 8.2Адресные входы 27В27По часовой стрелке″1″"0"Фронт-″-010″1″″1″″1″-″-Фронт111″1″"0"″1″Спад-″-100″1″"0""0"-″-Спад001″1″Против часовой стрелки″1″″1″Фронт-″-110"0"″1″"0"-″-Фронт011"0""0""0"Спад-″-000"0""0"″1″-″-Спад101"0"

Узел умножения сигнала фотоимпульсного датчика 8 скорости работает следующим образом. При постоянстве сигналов на первом и втором выходах фотоимпульсного датчика 8 на выходах триггеров 12 и 15 присутствуют сигналы логического нуля, которые разрешают прохождение импульсов с генератора 4 задающей частоты через элемент «ИЛИ» 28 на счетные входы триггеров 16 и 19.

При этом выходные сигналы триггеров 16, 17 остаются постоянными и одинаковыми по величине. То же самое можно сказать и о выходных сигналах триггеров 19-21. Сигналы на выходах всех элементов "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" 18, 22, 23 в этом случае равны логическому нулю. При этом сигнал логической единицы на выходе триггера 10 соответствует направлению вращения вала двигателя 1 по часовой стрелке, а на выходе триггера 11 присутствует логический нуль. Поэтому выходные импульсы триггера 13 не изменяют выходной сигнал триггера 12, который сохраняет уровень логического нуля.

Частота сигнала на выходе третьего 7 делителя частоты f₇ определяется как

где f₄ - частота генератора 4,

N₇ - коэффициент пересчета третьего делителя 7.

Частота f₁₃ выходного сигнала триггера 13 будет в два раза меньше величины f₇.

Функция мультиплексора 14, то есть его выходной сигнал D₁₄, определяется, согласно [5], как

где U₁₄ - сигнал на входе управления мультиплексора 14,

(DI₁-DI₄) - сигналы на первом - четвертом информационных входах мультиплексора 14 соответственно,

A₁, A₂ - сигналы на первом и втором адресном входах мультиплексора 14 соответственно.

Так как в этом режиме на первом адресном входе мультиплексора 14 присутствует логический нуль, то его выходной сигнал определяется уровнями сигналов на втором или четвертом информационных входах в зависимости от направления вращения вала двигателя 1. Так как на эти входы поступают импульсы частоты f₁₃, то, согласно (4), на выходе мультиплексора возникают импульсы такой же частоты. Относительная длительность этих импульсов равна 0,75. Частота следования импульсов на выходе второго делителя 6 частоты определяется как:

где N₆ - коэффициент пересчета делителя 6.

Следовательно, даже при отсутствии вращения вала двигателя 1 происходит переключение частотно-фазового дискриминатора с частотой f₆. Это обеспечивает малые потери в двигателе 1 при его работе на малых угловых скоростях.

Рассмотрим случай вращения вала двигателя по часовой стрелке. При изменении сигнала на первом 8.1 выходе фотоимпульсного датчика скорости 8, например, при его переходе из состояния логического нуля в логическую единицу (при появлении фронта), (фиг.3), следующий за ним первый фронт сигнала генератора 4 задающей частоты приводит к изменению состояния триггера 16. При этом на выходе первого элемента 18 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" появляется сигнал логической единицы. Это приводит к появлению логического нуля на выходах элемента 25 "ИЛИ-НЕ" и элемента 26 "ИЛИ". Спад этого сигнала вызывает переключение триггера 15, после чего на его выходе, а следовательно, и третьем входе элемента 28 "ИЛИ", устанавливается логическая единица. Этот сигнал запрещает прохождение импульсов с генератора 4 задающей частоты на счетные входы триггеров 16 и 19. При этом сигнал на выходе мультиплексора 27 соответствует направлению вращения вала двигателя 1. Следующий импульс генератора 4 задающей частоты приводит к переключению триггера 17 в состояние логической единицы. Поэтому сигналы на входах элемента 18 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" становятся одинаковыми, а на его выходе появляется сигнал логического нуля. Это приводит к восстановлению логической единицы сигналов на выходах элементов 25 "ИЛИ-НЕ" и 26 "ИЛИ". При спаде сигнала на выходе элемента 26 "ИЛИ" на выходе триггера 10 устанавливается сигнал, равный выходному сигналу мультиплексора 27, то есть соответствующий направлению вращения вала двигателя 1. На выходе триггера 11 устанавливается сигнал логической единицы. Следующий затем первый фронт сигнала с триггера 13 устанавливает на выходе триггера 12 сигнал логической единицы. Это приводит к сбросу выходного сигнала триггеров 10 и 15. Сигнал логической единицы на выходе триггера 12 запрещает прохождение импульсов с выхода делителя 7 через мультиплексор 14 при сигнале логической единицы на выходе триггера 10. Так как сброс триггера 12 происходит по следующему фронту импульса триггера 13, то происходит высекание только двух импульсов из последовательности с частотой f₇. Длительность импульса сигнала на выходе триггера 12 t₁₂ определяется как

При установлении сигнала логической единицы на выходе триггера 12 и, соответственно, на первом входе элемента 28 "ИЛИ" запрещается прохождение импульсов генератора 4 задающей частоты на счетные входы триггеров 16 и 19. Число импульсов в последовательности с частотой f₁₄ уменьшается на единицу. После установки сигнала логического нуля на выходе триггера 12 разрешается прохождение импульсов через элемент 28 "ИЛИ" на счетные входы триггеров 16 и 19, и устройство переходит в режим готовности к приему следующего фронта сигнала фотоимпульсного датчика скорости 8.

При сохранении направления вращения следующий момент считывания сигнала с фотоимпульсного датчика 8 происходит при появлении сигнала на втором его выходе 8.2. При этом на выходе триггера 19 устанавливается логическая единица, что приводит к несовпадению сигналов на входах элементов 22 и 23 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", а следовательно, к появлению логической единицы на выходах этих элементов. Сигналы с выходов элемента 23 и триггера 19 изменяют значение адреса мультиплексора 27. Поэтому к его выходу подключается другой информационный вход, значение сигнала на входе которого определяется направлением вращения в соответствии с таблицей 1. При вращении вала двигателя по часовой стрелке на выход мультиплексора передается сигнал логической единицы. Сигнал логической единицы с выхода элемента 22 приводит к появлению логического нуля на выходах элементов 25 "ИЛИ-НЕ" и 26 "ИЛИ". При этом устанавливается сигнал логической единицы на выходе триггера 15, что запрещает прохождение импульсов с генератора 4 задающей частоты на счетные входы триггеров 16 и 19. Следующий затем фронт сигнала генератора 4 задающей частоты устанавливает логическую единицу на выходе триггера 20. Это уравнивает сигналы на входах элемента 22 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ". Поэтому на его выходе устанавливается сигнал логического нуля, что приводит к появлению логической единицы на выходе элемента 26 "ИЛИ". Фронт выходного сигнала элемента 26 "ИЛИ" приводит к установке на выходе триггера 10 сигнала, равного выходному сигналу мультиплексора 27 и появлению логической единицы на выходе триггера 11. Следующий фронт сигнала генератора задающей частоты устанавливает логическую единицу на выходе триггера 21, что приводит к появлению логического нуля на выходе элемента 23 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ". При этом может измениться выходной сигнал мультиплексора 27. Это не сказывается на работе устройства, так как сигнал направления вращения вала двигателя 1 уже зафиксирован триггером 10.

Ближайший фронт импульса с триггера 13 приводит к появлению логической единицы на выходе триггера 12. Этот сигнал сбрасывает триггер 15 и во время своего присутствия запрещает переключение триггеров 16 и 19. Логическая единица на выходе триггера 12 сохраняется в течение промежутка времени t₁₂, определяемого выражением (6). За это время происходит высекание двух импульсов с выхода делителя 7 частоты. Число импульсов в последовательности с частотой f₁₄ уменьшается на единицу. После установки сигнала логического нуля на выходе триггера 12 разрешается прохождение импульсов через элемент 28 "ИЛИ" на счетные входы триггеров 16 и 19, и устройство переходит в режим готовности к приему следующего фронта сигнала фотоимпульсного датчика скорости 8.

При изменении направления вращения вала двигателя 1 (фиг.4) элементы, формирующие последовательность импульсов с выхода элемента 26 "ИЛИ" работают аналогично вышеизложенному. В этом случае изменяется только значение выходного сигнала мультиплексора при спаде сигнала с выхода элемента 26 "ИЛИ" за счет изменения адресных сигналов на его входах. Соответственно изменяется и записываемый в триггер 10 сигнал. Поэтому в течение действия импульса с выхода триггера 12 t₁₂ разрешается прохождение через мультиплексор 14 импульсов с выхода делителя 7 частоты. При этом каждое изменение сигналов на выходах фотоимпульсного датчика 8 скорости приводит к появлению дополнительного импульса в последовательности с частотой f₁₄.

Таким образом, очевидно, что при повороте вала двигателя на угол Δϕ, равный четверти расстояния между метками фотоимпульсного датчика 8 скорости, происходит добавление или высекание одного импульса в последовательность с частотой f₁₄. При этом

Общее число импульсов на выходе мультиплексора 14 в промежуток времени между импульсами с выхода элемента 26 "ИЛИ" t₂₆, определяется как

где T₁₃=f₂₃ ^-1 - период частоты выходного сигнала триггера 13. Среднее значение частоты выходного сигнала мультиплексора 14 может быть найдено, исходя из (8) с учетом (2), по следующему выражению:

Текущее положение t₁₄[j] импульсов частоты f₁₄ может быть определено как

где N₈ - число импульсов с датчика 8, пришедшее за рассматриваемый промежуток времени Т.

Очевидно, что величина t₁₄[j] однозначно определяется числом импульсов, пришедшим с датчика 8, то есть углом поворота вала двигателя 1. Среднее значение частоты, снимаемой с делителя 6,

где р^*=4р/N₆ - эквивалентное число меток измерителя скорости. Таким образом, сохраняется взаимное соответствие между угловой скоростью вала двигателя 1 и частотой сигнала на выходе делителя 6 частоты. Такое взаимное соответствие сохраняется и между положением вала двигателя 1 и импульсов на выходе делителя 6 частоты.

На входы частотно-фазового дискриминатора 3 поступают импульсы частоты задания с делителя 9 - f₉ и обратной связи с преобразователя 2 сигнала фотоимпульсного датчика скорости 8 - f₆. В режиме стабилизации скорости двигателя 1, когда частоты сигналов задания и обратной связи примерно равны, длительность импульсов на первом или втором выходах частотно-фазового дискриминатора 3 определяется разностью фаз этих сигналов. Если f₉>f₆, широтно-импульсный сигнал появляется на первом выходе частотно-фазового дискриминатора 3, соединенном с модулирующим входом силового преобразователя 5. При этом сигнал на втором его выходе остается постоянным. При f₉<f₆ широтно-импульсный сигнал появляется на втором выходе частотно-фазового дискриминатора 3, соединенном с реверсирующим входом силового преобразователя 5. При этом сигнал на первом его выходе остается постоянным. При значительной разности входных частот частотно-фазовый дискриминатор 3 переходит в режим частотного сравнения сигналов, характеризуемый следующими соотношениями:

где γ_3.1 и γ_3.2 - относительные длительности широтно-импульсных сигналов на первом и втором выходах частотно-фазового дискриминатора 3 соответственно.

Отклонение выходной частоты делителя 6 по сравнению с частотой f₉ на первом входе частотно-фазового дискриминатора 3 изменяет взаимное фазовое положение импульсов этих сигналов. При этом изменяется длительность импульса широтно-импульсного сигнала на его втором выходе на ΔT[i]. Величина этого приращения ΔT[i] находится из следующих соображений. Фазовое рассогласование t[i] импульсов частотно-фазового дискриминатора 3 на рассматриваемом интервале определяется как

где t[i-1] - величина фазового рассогласования импульсов управления частотно-фазовым дискриминатором 3 на (i-1) интервале,

Т₉ - период сигнала на выходе делителя 9 частоты.

Поэтому приращение ΔT[i] за один период выходного сигнала делителя 6 t[i-1] может быть найдено как

Так как в квазиустановившемся режиме период частоты на первом входе частотно-фазового дискриминатора 3 постоянен и Т₉=Т₆, то можно считать, что величина ΔT[i] определяется только изменением периода частоты второго делителя 6. За время одного периода выходного сигнала делителя 9 частоты положение импульса с делителя 6 частоты определяется с использованием выражения (10) как

В общем случае за период частоты f₆ приходит несколько импульсов датчика 8, число которых N₈ определяется как

где ϕ₁=∫ Ωdt - угол поворота вала двигателя 1 за рассматриваемый промежуток времени.

С учетом (15) и (16) приращение длительности выходного сигнала частотно-фазового дискриминатора определяется как

где k - целое число импульсов датчика 8.

Задержка изменения положения импульса делителя 6 зависит от состояния этого делителя в момент формирования импульса с датчика скорости 8. Очевидно, что она не может превышать длительности периода выходного сигнала делителя 6 частоты.

Погрешность определения положения импульса делителя 6 возникает из-за дискретности его формирования. Ее величина определяется разностью периода этой частоты и его идеального значения. Разность этих величин находится из следующего выражения:

где к - целое число импульсов датчика 8 за время Т₂₆.

Величина δТ, отнесенная к периоду идеального значения преобразованной частоты фотоимпульсного датчика, соответствующей определенному значению угла поворота вала двигателя 1, является относительной погрешностью δϕ преобразования его текущего положения, которая находится по выражению вида

Максимальное значение δϕ не превышает N₆ ^-1. При N₆>1000 обеспечивается погрешность измерения положения вала двигателя 1 не более 0.02%.

Таким образом, при работе на относительно больших скоростях вращения вала двигателя 1 обеспечивается измерение положения вала двигателя и его скорости с минимальными погрешностями. При увеличении разрешающей способности фотоимпульсного датчика скорости 8 и снижении уровня рабочих скоростей на положении импульсов с выхода датчика начинают сказываться пульсации скорости, обусловленные характером выходного напряжения силового преобразователя 5. Особенно это характерно для синхронно-синфазных систем электропривода с широким диапазоном регулирования угловой скорости. В этом случае вал двигателя 1 пульсирует около некоторого заданного положения, что приводит к появлению фронтов импульсов фотоимпульсного датчика скорости 8, следующих с высокой частотой при практически полном отсутствии перемещения вала двигателя 1. Если эти сигналы следуют с интервалом времени, большим, чем Т₁₃, то устройство работает в рабочем режиме, рассматривая поступающие импульсы как имеющие различное направление вращения. Если интервал между этими фронтами становится меньшим, чем Т₁₃, то в принципе возможен пропуск одного информационного фронта, что ведет к искажению информации о действительном положении вала двигателя. Для устранения пропадания информации о действительном положении вала двигателя в предлагаемом устройстве используются триггер 15 и элемент 28 "ИЛИ". Временные диаграммы работы устройства в таком режиме показаны на фиг.5. При этом рассматривается случай, когда интервал времени между фронтом и спадом сигнала на первом 8.1 выходе фотоимпульсного датчика скорости 8 меньше T₁₃. После прихода фронта выходного сигнала фотоимпульсного датчика скорости 8 первый фронт импульса генератора 4 задающей частоты устанавливает сигнал логической единицы на выходе триггера 16. При этом на выходе элемента 18 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" появляется сигнал логической единицы, а на выходе элемента 26 "ИЛИ" сигнал логического нуля. В этот момент устанавливается в единицу триггер 15 и запрещает дальнейшее прохождение импульсов с генератора 4 задающей частоты через элемент «ИЛИ» 28 на счетные входы триггеров 16 и 19. Эти триггеры сохраняют информацию о сигналах на выходах фотоимпульсного датчика скорости 8 в момент появления импульса с генератора 4 задающей частоты. Следующий фронт импульса этого генератора устанавливает в единицу триггер 17, что приводит к появлению логической единицы на выходе элемента 26 "ИЛИ". Фронт этого сигнала устанавливает в единицу триггер 11 и записывает в триггер 10 уровень сигнала, соответствующий направлению вращения вала двигателя 1. Фронт выходного сигнала триггера 13 устанавливает логическую единицу на выходе триггера 12, что приводит к сбросу триггеров 11 и 15. Несмотря на появление сигнала логического нуля на выходе триггера 15, прохождение сигналов с генератора 4 задающей частоты на счетные входы триггеров 16, 19 не допускается, так как на первом входе элемента "ИЛИ" 28 находится сигнал логической единицы. На период выходного сигнала триггера 13 запрещается прохождение импульсов через мультиплексор 14. Следовательно, из выходной последовательности с частотой f₁₄ высекается один импульс. После сброса в состояние нуля триггера 12 первый же фронт импульса с генератора 4 задающей частоты сбрасывает в состояние нуля триггер 16, так как на его информационном входе присутствует сигнал логического нуля. При этом на выходе элемента 18 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" появляется логическая единица, а на выходе элемента 26 "ИЛИ" - логический нуль. При этом триггер 15 устанавливается в единицу и запрещает прохождение импульсов с генератора 4 задающей частоты на счетные входы триггеров 16 и 19. Следующий затем фронт импульса с выхода генератора 4 задающей частоты приводит к сбросу триггера 17 и появлению логического нуля на выходе элемента 18 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ". При этом на выходе элемента 26 "ИЛИ" возникает логическая единица, появление которой приводит к установке в единицу триггера 11 и инверсии выходного сигнала триггера 10. Следующий затем фронт выходного сигнала триггера 13 устанавливает в единицу триггер 12 и сбрасывает триггеры 11 и 15. За время наличия сигнала на выходе триггера 12 с учетом выходного сигнала триггера 10 через мультиплексор 14 на вход второго делителя 6 частоты проходят 2 импульса с выхода делителя 7 частоты. Это соответствует добавлению одного импульса в последовательность импульсных сигналов с частотой f₁₄. После сброса триггера 12 устройство готово к приему следующего фронта сигнала с выходов фотоимпульсного датчика скорости 8. При возникновении аналогичной ситуации на втором выходе фотоимпульсного датчика скорости 8 устройство работает аналогичным образом.

Таким образом, даже очень короткие импульсы с любого выхода фотоимпульсного датчика скорости 8 не приводят к потери информации о действительном положении вала двигателя 1.

При наличии протяженных связей между устройством и фотоимпульсным датчиком скорости 8 возможно появление синфазных помех, действие которых выражается в одновременном появлении фронтов с выхода измерительного преобразователя. Для устранения этого явления в устройстве используются элементы 24 "И", 25 "ИЛИ-НЕ" и 26 "ИЛИ". Устройство при появлении синфазной помехи работает следующим образом (фиг.6). Пусть на выходах фотоимпульсного датчика скорости 8 возникают импульсы, фронты которых отстоят друг от друга, меньше чем период частоты генератора 4. При этом фронт сигнала 8.1 фотоимпульсного датчика скорости 8 является полезным. Короткий импульс на выходе 8.2 представляет синфазную помеху. В этом случае триггеры 16 и 19 переключаются одновременно. При этом на выходах элементов 18 и 22 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" также одновременно появляются логические единицы, а на выходе элемента 25 "ИЛИ-НЕ" появляется логический нуль. Сигналы с выходов элементов 18 и 22 "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", проходя через элемент "И" 24, приводят к появлению логической единицы на первом входе элемента 26 "ИЛИ". Этот факт запрещает изменение выходного сигнала элемента 26 "ИЛИ", и переключение триггеров 15 и 11 не происходит. Следовательно, не изменяется и частота выходного сигнала мультиплексора 14, то есть устраняется ложное срабатывание устройства. В дальнейшем за счет переключений триггеров 19-21 формируются импульсы запуска триггера 11, а в триггер 10 записывается сигнал, соответствующий действительному направлению вращения вала двигателя 1. За время логической единицы на выходе триггера 12 происходит высекание одного импульса из последовательности импульсов на выходе мультиплексора 14.

Из приведенных выше соотношений следует, что использование предлагаемого устройства обеспечивает электронное увеличение разрешающей способности фотоимпульсного датчика скорости, при котором сохраняется зависимость между положением импульса обратной связи и вала двигателя 1. Это позволяет использовать предлагаемый электропривод в фазовых системах стабилизации скорости, обладающих более высокими точностными характеристиками по сравнению с электроприводами, базирующимися на измерении периода выходного сигнала фотоимпульсного датчика [6]. Кроме того, предлагаемый электропривод обеспечивает защиту от одновременного появления фронтов выходных сигналов фотоимпульсного датчика скорости без потери полезной информации о положении вала. Поэтому возможно его использование в системах, базирующихся на применении фотоимпульсных датчиков скорости с высокой (более 100000 дискрет на оборот) разрешающей способностью и в синхронно-синфазных системах управления, работающих при малых отклонениях положения вала от заданного значения.

Уровень угловой скорости не зависит от напряжения питающей сети и колебаний температуры, а определяется только нестабильностью генератора 4 задающей частоты, которая при использовании кварцевых резонаторов не превышает 10^-5%. Электропривод прост по конструкции и не содержит аналоговых и настраиваемых элементов.

Источники информации

1. Файнштейн В.Г. Микропроцессорные системы управления электроприводами. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Схемотехника цифровых преобразователей перемещения: Справочное пособие/ В.Г.Домрачев, В.Р.Матвеевский, Ю.С.Смирнов. - М.:Энергоатомиздат, 1987. - 392 с.

3. Андрущук В.В. Цифровые системы измерения параметров движения механизмов в машиностроении. -СПб.: Политехника, 1992. - 237 с.

4. Патент РФ №2161365 кл. Н 02 Р 5/06. Опубл. БИ №36, 2000.

5. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1990.

6. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. - М.: Энергоиздат, 1982.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах стабилизации угловой скорости, построенных на базе контура фазовой синхронизации. Техническим результатом является увеличение точности поддержания регулируемых координат и расширение сферы применения электропривода. В электроприводе для преобразования сигнала фотоимпульсного датчика скорости/положения вала используются шесть триггеров, три элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", два элемента "ИЛИ", элемент "И", элемент "ИЛИ-НЕ" и мультиплексор. Применение этих элементов обеспечивает увеличение разрешающей способности фотоимпульсного датчика скорости и увеличение помехозащищенности устройства. 6 ил., 1 табл.

Электропривод, содержащий фотоимпульсный датчик скорости, установленный на валу двигателя, подключенного к мостовому силовому преобразователю, модулирующий и реверсирующий входы которого соединены с первым и вторым выходами частотно-фазового дискриминатора, первый вход которого через первый делитель частоты связан с выходом генератора задающей частоты, подключенного через третий делитель частоты и четвертый триггер к счетному входу третьего триггера и второму и четвертому, информационному, входам мультиплексора, первый адресный вход которого соединен со входом сброса второго триггера и выходом третьего триггера, информационный вход которого связан с выходом второго триггера, счетный вход которого объединяется со счетным входом первого триггера, выход которого подключен ко второму адресному входу мультиплексора, вход управления которого соединен с выходом третьего делителя частоты, а выход через второй делитель связан со вторым входом частотно-фазового дискриминатора, на первый информационный вход мультиплексора подан сигнал логического нуля, а на третий - логической единицы, отличающийся тем, что введены шесть триггеров, три элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", два элемента "ИЛИ", элемент "ИЛИ-НЕ" и элемент "И" и второй мультиплексор, на первый, четвертый, шестой и седьмой информационный входы которого подан сигнал логического нуля, а на второй, третий, пятый и восьмой информационный входы - сигнал логической единицы, а выход второго мультиплексора подключен к информационному входу первого триггера, выход третьего триггера соединен со входом сброса пятого триггера и первым входом первого элемента "ИЛИ", второй вход которого подключен к выходу генератора задающей частоты, а третий вход соединен с выходом пятого триггера, счетный вход которого объединяется со счетным входом первого триггера и выходом второго элемента "ИЛИ", первый и второй входы которого соединены с выходами элементов "И" и "ИЛИ-НЕ" соответственно, причем первые входы этих элементов подключены к выходу первого элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", первый и второй входы которого соединены с выходами седьмого и шестого триггеров, информационный вход шестого триггера связан с первым выходом фотоимпульсного датчика скорости, второй выход которого связан с информационным входом восьмого триггера, счетный вход которого соединен с выходом первого элемента "ИЛИ" и счетным входом шестого триггера, к выходу которого подключен информационный вход седьмого триггера и второй адресный вход второго мультиплексора, первый адресный вход которого связан с выходом восьмого триггера, информационным входом девятого триггера и первыми входами второго и третьего элементов "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", причем вторые входы элементов "И" и "ИЛИ-НЕ" подключены к выходу второго элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", второй вход которого соединен с выходом девятого триггера и информационным входом десятого триггера, выход которого связан со вторым входом третьего элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", выход которого соединен с третьим адресным входом второго мультиплексора, а выход генератора задающей частоты подключен к счетным входам седьмого, девятого и десятого триггеров.