СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2012 года по МПК H02P7/14 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано 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, МКИ H02P 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 ко 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 заявляемому устройству является стабилизированный электропривод (а.с. СССР №1624649, МКИ⁵ H02P 5/06, 1991 г.), содержащий электродвигатель, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения, 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 - ко входу нулевой установки первого счетчика импульсов, выход которого является выходом блока сравнения частот.

Недостатком этого устройства является узкий диапазон регулирования, связанный с зависимостью области начальных условий по Δω в момент опережающей разблокировки от заданной частоты вращения ω_з.

При повторном наложении во времени импульсов f_on и f_oc их периоды отличаются друг от друга на величину, не превышающую τ_on+τ_oc (длительность импульсов сигналов опорной частоты и частоты обратной связи), то есть

T_on+(τ_on+τ_oc)>T_oc>T_on-(τ_on+τ_oc).

Для обратных величин можно записать

,

или

,

где σ=(τ_on+τ_oc)/T_on.

После преобразования получаем

.

При использовании формирователей коротких импульсов σ<<1, тогда

f_on+Δf>f_oc>f_on-Δf,

где Δf≈f_onσ.

Тогда с учетом того, что ω_з=f_onφ₀, где φ₀=2π/z, z - количество меток импульсного датчика частоты, выражение примет вид

ω_з+Δω₀>ω>ω_з-Δω₀,

где Δω₀≈ω_зσ - максимальное отклонение угловой скорости электропривода от заданной в момент опережающей разблокировки импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД) в режиме фазового сравнения.

Выражение для фактического отклонения угловой скорости Δω_к электропривода от заданной в момент выполнения опережающей разблокировки ИЧФД в режиме 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 изобретения 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, 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 импульсного частотно-фазового дискриминатора через формирователи коротких импульсов подключены соответственно к выходам блока задания частоты и импульсного датчика частоты вращения. Выход статического преобразователя подключен к якорной обмотке электродвигателя.

Поставленная задача решена за счет того, что первый вход блока сравнения частот подключен ко второму выходу импульсного частотно-фазового дискриминатора с не менее чем тремя выходами, второй вход блока сравнения частот подключен к третьему выходу импульсного частотно-фазового дискриминатора с не менее чем тремя выходами, а блок сравнения частот выполнен в виде схемы сравнения, регистра, счетчика импульсов, высокочастотного генератора и схемы ИЛИ, входы которой являются входами схемы сравнения. Выход схемы ИЛИ подключен одновременно к синхровходу С регистра и к R-входу нулевой установки счетчика импульсов, синхровход С которого подключен к выходу высокочастотного генератора. Выходы счетчика импульсов подключены к D-входам регистра, выходы Q которого подключены ко входам схемы сравнения. Выход схемы сравнения является выходом блока сравнения частот.

Сущность технического решения пояснена чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - фазовый портрет работы предлагаемого устройства на участке разгона, на фиг.3 - временные диаграммы Δω=f(t) работы электропривода в режиме разгона.

Стабилизированный электропривод содержит блок задания частоты 1, импульсный частотно-фазовый дискриминатор 2, статический преобразователь 3, электродвигатель 4, импульсный датчик частоты вращения 5, формирователи импульсов 6 и 7, блок сравнения частот 8, одновибратор 9. Блок сравнения частот 8 выполнен в виде схемы ИЛИ 10, высокочастотного генератора 11, счетчика импульсов 12, регистра 13 и схемы сравнения 14.

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. Вход А импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 через формирователь импульсов 6 подключен к выходу блока задания частоты 1. Вход В импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 через формирователь импульсов 7 подключен к выходу импульсного датчика частоты вращения 5. Первый вход схемы ИЛИ 10 является первым входом блока сравнения частот 8 и подключен к выходу B₁ импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. Второй вход схемы ИЛИ 10 является вторым входом блока сравнения частот 8 и подключен к выходу C₁ импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. R-вход счетчика импульсов 12 объединен с синхровходом С регистра 13 и подключен к выходу схемы ИЛИ 10. Синхровход С счетчика импульсов 12 подключен к выходу высокочастотного генератора 11. Выходы счетчика импульсов 12 подключены к D-входам регистра 13. Выходы Q регистра 13 подключены ко входам схемы сравнения 14, выход которой является выходом блока сравнения частот 8.

Стабилизированный электропривод работает следующим образом. При включении питания двигатель 4 начинает разгоняться до синхронной скорости. При этом с выхода блока задания частоты 1 на вход формирователя импульсов 6 подается импульсный сигнал с частотой f_оп, пропорциональной заданной частоте вращения электродвигателя 4. На выходе формирователя импульсов 6 по переднему фронту импульса f_оп формируется импульсный сигнал длительностью τ_оп. На вход А импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 поступает сигнал задания с выхода формирователя импульсов 6. На вход В импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 поступает сигнал обратной связи , поступающий с выхода импульсного датчика частоты вращения 5 через формирователь импульсов 7, формирующий импульс по переднему фронту импульса f_ос. При включении питания частота значительно превышает частоту , что определяет высокий уровень сигнала на выходе A₁ импульсного частотно-фазового 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.

Блок сравнения частот 8 служит для определения момента времени, когда ошибка по угловой скорости Δω в момент пересечения изображающей точки фазовой траектории линии переключения становится меньше Δω_r, путем анализа сигналов, поступающих выходов B₁ и C₁ импульсного частотно-фазового дискриминатора 2. Импульс на выходе B₁ импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 появляется, когда между двумя соседними импульсами f_оп не проходит ни одного импульса f_ос. На выходе C₁ импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 импульс появляется, когда между двумя соседними импульсами f_ос не проходит ни одного импульса f_оп. В момент, когда ошибка по угловой скорости Δω становится меньше Δω_r, с выхода блока сравнения частот 8 сигнал f_вых через одновибратор 9 осуществляет разблокировку в пропорциональный режим работы импульсного частотно-фазового дискриминатора 2.

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. В блоке осуществляется подсчет количества импульсов N высокочастотного генератора между ситуациями прохождения двух импульсов одной частоты между двумя импульсами другой частоты, что соответствует прохождению рабочей точкой значений

на фазовом портрете (фиг.2) разгона электропривода с фазовой синхронизацией (n - целое число). Время t_Δ прохождения рабочей точкой участка а-б на фазовом портрете разгона с максимальным ускорением ε_m электропривода с фазовой синхронизацией пропорционально подсчитанному количеству импульсов N высокочастотного генератора

где Т_вч - период импульсов высокочастотного генератора.

Т.к. на участке а-б угловое ускорение постоянно, то средняя ошибка по угловой скорости Δω_ср электропривода находится по уравнению

.

Временные диаграммы Δω=f(t) работы электропривода в режиме разгона представлена на фиг.3. Зная значение Δω_ср, можно определить значение ошибки по угловой скорости в точке б Δω_к

.

Таким образом, при известном значении t_Δ можно определить значение ошибки по угловой скорости электропривода в момент прохождения рабочей точкой значений , где n - целое число

.

С учетом того, что область начальных условий для организации опережающей разблокировки ИЧФД целесообразно выбирать из условия

,

то

,

,

.

С учетом уравнения (1) получаем расчетное количество импульсов N_p высокочастотного генератора 11 за время прохождения участка а-б на фазовом портрете, при котором ошибка по угловой скорости будет равна .

В момент прохождения второго импульса одной частоты между двумя импульсами другой частоты с выхода B₁ (при разгоне) или выхода C₁ (при торможении) импульсного частотно-фазового дискриминатора 2 импульс через схему ИЛИ 10 подается на синхровход регистра 13, на Q выходы которого записывается двоичный код с Q выходов счетчика импульсов 12, и на R-вход счетчика импульсов 12, сбрасывая его. В схеме сравнения 14 производится сравнение значения N_к с Q выходов регистра 13 и расчетного значения N_p. В том случае, если значение N_к станет больше значения N_p, на выходе схемы сравнения 14 формируется импульс f_вых, поступающий на вход одновибратора 9. На выходе одновибратора 9 формируется импульс, импульс f_вых, поступающий на вход одновибратора 9. На выходе одновибратора 9 формируется импульс, поступающий на вход С ИЧФД 2 и осуществляющий его опережающую разблокировку.

Работа электропривода при переходе со скорости на скорость происходит аналогично вышеописанному.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон регулирования скорости вращения стабилизированного электропривода за счет введения в блок сравнения частот схемы сравнения, D-триггера, счетчика импульсов, высокочастотного генератора и схемы ИЛИ, которые позволяют устранить зависимость области начальных условий по Δω в момент опережающей разблокировки импульсного частотно-фазового дискриминатора от заданной частоты вращения ω_з.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации, а так же в обзорно-поисковых и сканирующих системах. Изобретение позволяет получить технический результат - уменьшить время синхронизации электропривода в широком диапазоне рабочих частот вращения. Блок сравнения частот стабилизированного электропривода выполнен в виде схемы сравнения, регистра, счетчика импульсов, высокочастотного генератора и схемы ИЛИ. Новая схема блока сравнения частот позволяет осуществить опережающую разблокировку импульсного частотно-фазового дискриминатора в пропорциональный режим работы в тот момент, когда значение ошибки по угловой скорости Δω_к становится меньше оптимального по времени синхронизации значения . 3 ил.

Стабилизированный электропривод, содержащий электродвигатель, на валу которого расположен импульсный датчик частоты вращения, 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, отличающийся тем, что первый и второй входы блока сравнения частот подключены соответственно ко второму и третьему выходам импульсного частотно-фазового дискриминатора, а блок сравнения частот выполнен в виде схемы сравнения, регистра, счетчика импульсов, высокочастотного генератора и схемы ИЛИ, входы которой являются входами схемы сравнения, а выход подключен одновременно к синхровходу С регистра и к R-входу нулевой установки счетчика импульсов, синхровход С которого подключен к выходу высокочастотного генератора, а выходы Q подключены к D-входам регистра, выходы Q которого подключены к входам схемы сравнения, выход которой является выходом блока сравнения частот.