Цифровой регулятор Советский патент 1983 года по МПК G05B11/26 

(54) иИ НРОВОЙ РЕГУЛЯТОР .- , . Изобретение относится к автоматично кому управлению и мсшсет быть применено в радвотехнических системах, приборо строении и станкостроении. Известв цифровой регулятор скорости двигателя, соАержаогай блок задания и блок измереняя скорости, подключенные к счетчику, младшие декады которого через памяти подключены ко входу иифронаналогового преобразователя, выход которого подключен к исполнительному двигателю. Кроме того, регулятор содержит мультивибраторы, ключи, трш. геры и элементы И нижнего и верхтего пределов абсолютного диапазона регули рования, причем ЯФввляйощие входы элементов И подключевы к Евыходам разрядов счетчика, а выходы через соответсть. вуюшие rpioTeibt - к одпим вз входов кл1очей другие входы которых соединены с выходом блока, измерения скоростей, а выходы через соответствующие мульт вибраторы - с входами установки разрядов счетчика, соответствующими выбранному диапазону. Применение в приведенном цифровом регуляторе дополнительных мультивибра- . торов, ключей, триггеров и элементов И нижнего и верхнего пределов абсолютно-Ьа диапазона регулирования позволяет выбрать и поддерживать постоянным не« обходимый диапазон регулирования. Недозаполнение или перезаполнение счетчика импульсами генератора импульсов из-за значительного отклонения действительной скорости двигателя от заданной вызывает срабатывание элементов И, триггеров, ключей и мультивибраторов нижнего, или верхнего пределов абсолютного диапазона регулирования и принудительную установку счетчика соответственвр в нижний или верхний предел. На выходе цифро-аналогового преобразователя поддерживается минимальное или максимальное напряжение до тех пор, пока скорость двигателя не уменьшится или увеличится до величины, входящей в выбранный диапазон регуш 310ровеглия. Это позволяет упростить, узел считывания, блок памяти ицифро-аналоговый преобразователь. В цаткум регуляторе намеряется длительность интервала, пропорционального скорости двигателя и поступающего с двух регистрирующих устройств частотного тахогенератора в виде двух импульсов, задающих начало и конец интервала. Измерение осуществляется посредствсял заполнения интервала импульсами этало ной частоты и подсчета их с помощью десятичного суммирующего счетчика tlJ Однако минимально возможная длител ность периода следования запускающих импульсов определяется при максимальной скорости, так как составляющие пери ода следовашш, связанные с записью минимальной скорости и переносом этой информации в блок памяти, необходимы для четкой работы регулятора скорости. В интервале, связаннсм .с принудительной установкой мультивибратором счетчика: в состояние, соответствующее нижнему пределу диапазона регулирования при наибольшем возможном отклонении ссорости, информация о скорости в счетчик не поступает и не записывается в блок памяти, поэтому в этом интервале происходит потеря инфор ации о скорости Данная составляющая периода следования импульсов частотного тахогепера- тора снижает точность измере1шя скороо ти в регуляторе и точность работы всего регулятора, скорости двигателя, что является его основным недостатком. Наиболее близким к изобретеншо техническим решением является цифровой регулятор, содернсащий первый формирователь импульсов,; первый выход которог через последовательно соединенные блок задания скорости, первый счетчшс кмпуль сов, первый элемент И, первый переключатель и регистр Подключен к первому Входу блока. памяти, а второй выход через последовательго соединенные первый триггер и ключ - ко второму входу первого . счетчика импульсов, второй вход ключа подсоединен к выходу генератора импульсов, соединенного со вторым входом первого переключателя; второй формирователь импульсов, первый, второй и третий выходы которохх подсоединены соответственно ко второму входу блока памяти, через второй триггер - к третьему входу первого переключателя и к первому входу епеменга ИЛИ, второй Е9СОД которого соединен с выходсм первого элемента И, а выход - со вторым 67 входом первого триггера, второй элемент И, выход KOTopoiX) соединен с четвертым . входом первого переключателя и с трет им вкоаам блока памяти, а входы - со вторыми выходами регистра, второй вход которого соединен с первым выходом первого формирователя импульсов и с вторым: входом второго триггера, а также последовательно соединенньге коммутатор и двигатель, связанный с датчиком скорости, выходы которого подключены ко входам соответствующих формирователей импульсов. В данвюм регуляторе в узле обратной связи применен импульсный датчик скорости, с двух регистрирующих устройств которого поступает информация в виде двух импульсов, задающих начало и конец интервала, пропорцио1шльного ско,рости. Кроме того, в этом цифровом регуляторе уставка вводится в счетчик в виде числовогх) кода, .а орган сравнения представляет собой цифровое арифметическое устройство (счетчик). Формируемая этим устройством разность в цифровом виде является величиной, пропорциональной ошибке регулятора. Записанная в блоке памяти в цифровом виде ошибка преобразуется цифро-аналоговым преобразо- вателем в аналоговый сигнал, воздействующий через усилитель на двигатель. Регулирование скорости асинхронного двигателя осуществляется импульсным, методом регулирования, при котором обмотки двигателя подключаются коммутатором к питающей сети на определенное время. В зависимости от отклонения действительной скорости двигателя от заданной длительность подключенного состояния обмоток двиг лтеля к сети изменяется от нуля до длительности периода коммута- ции.При этом действующее напряжение, подводимое к обмоткам двигателя, изменяется от нуля до полного напряжения питающей сети Г21. Данный известный регулятор характеризуется недостаточной точностью, вследствие наличия цифро-аналогового преобразователя и генератора опорного напряжения, нестабильность параметров которых значительна.. Цель изобретения - повыщение точности и стабильности регулятора. Указанная цель достигается тем, что в цифровой регулятор введены делитель частоты, реверсивный счетчик импульсов, второй счетчик импульсов, второй переключатель, третий и четвертый триггеры. выходы которых подключены к соответствующим входам коммутатора, первые входы - к соответствуюишм выходам второго переключателя, а третьи входы - к выходу реверсивного счетчика импульсов, первые входы которого соединены с соответствующими выходами блока памяти, второй вход через делитель частоты - с выходом генератора импульсов, а третий вход - с выходсм второго счетчика импульсов и с первым входом второго переключателя, второй и третий входы которого хюдключены к выходам старшего раз ряда блока памяти, а вход второго счетчика импульсов соединен с выходом дел теля частоты. При этом число разрядов реверсивного счетчика импульсов и второго счетчика н единицу ,меньше числа разрядов блока памяти. В предложенном регуляторе вместо ге нератора опорйого напряжения применен счетчик импульсов, получаемых от генератора импульсов через, делитель частоты, дающий стабильную опорную частоту. Реверсивный счетчик импульсов в зависимости от знака и величины ошибки регулятора, записанной в цифровом виде в блоке памяти, переключаясь в прямом или обратном направлении синхронно со вторым счетчиком импульсами с делителя частоты, через переключатель форми. рует совместно со вторым счетчиком на выходе третьего или четвертого триггеров импульсы .регулируемой длительности. Этими импульсами через коммутатор осуществляется управление величиной и направлением мощности, подводимой к двигателю, который создает вращающий или тормозной момент для з еличения или уменьшения скорости вращения. На чертеже приведена блок-схема предложенного цифрового регулятора. Схема содержит первый формировател 1 импульсов, блок 2 задания скорости, первый счетчик 3 импульсов, первый эле мент И 4, первый переключатель 5, регистр 6, блок 7 памяти, первый триггер 8, ключ 9, генератор 10 импульсов, второй формирователь 11 импульсов, второйтриггер 12, элемент ИЛИ 13, второй элемент И 14, коммутатор 15, двигатель 16, датчик 17 сжорости, делитель 18 частоты, реверсивный счетчик 19 импульсов, второй счетчик 2О импульсов, второй переключатель 21, третий и четвертый триггеры 22 и 23. Двигатель, в свою очередь, содержит ндукторы 24 и подвижный элемент 25. В регуляторе измеряется длительность интервала, пропорционального скорости двигателя и поступающего с двух регистрирующих устройств импульсного датчика 17 скорости в виде двух импуш сов, задающих начало и конец интервала. Намерение осуществляется посредством заполнения интервала импульсами опорной частоты от генератора 10 и подсчета их с помощью счетчика 3 и регистра 6. Перед началом работы регулятора с помощью блока 2 задания скорости, представляющего собой либо контактный, либо бесконтактный переключатель, уста- навл1шается не число высокочастотных импульсов генератора 1О, приходящих в счетчик 3 за время работы от начала измеряемого интервала до нижнего предела диапазона регулирования, а дополнительное число, т.е. число, дополняюшеа первое до полного объема счетчика 3. Величина дополнительного числа зависит от выбранного диапазона регулирования, заданной величины скорости двигателя и параметров входного интервала, поступающего с импульсного датчика 17 скорости. Цифровой регулятор работает следук щим образом. Импульс, поступающий с импульсного датчика 17 скорости, задающий начало измеряемого интервала, и сформированный в первом формирователе 1, переносит задание, записанное в блоке 2 задания скорости, в счетчик 3 и одновременно устанавливает регистр 6 и второй триг гер 12 в исходное состояние. Через время задержки, необходимое для установки счетчика 3 импульсом из первого формирователя 1 переключается первый триггер 8. При этом открз1вает ся ключ 9 и в счетчик 3 начинают поступать импульсы генератора 1О. По заполнении счетчика 3 до полного объема срабатывает первый элемент И 4 и через элемент ИЛИ 13 переключает первый триггер 8. При этом закрывается ключ 9, который запрещает поступление импуль- . сов с генератора 1О в счетчик 3. Одновременно выходной импульс первого эладента И 4 открывает первый переключатель 5 и в регистр 6 начинают поступать импульсы генератора 10. Счет заканчивается с поступлением импульсно- го датчика 17 скорости импульса, задающего конец измеряемого интервала во

7 1004&е78

второй формирователь И импульс в. Им-в состояние О. На выходе третьего

пульс второго форлтфователя 11 черезтриггера 22 сформировался рабочий имвторой триггер 12 закрывает первый переключатель 5 и прекращает поступление

импульсов генератора 10 на унравляюишй5 чика 2О и последующем переходе его в

вход регистра 6. Через время задержкисостЬяние О заканчивается формировасо второго формирователя 11 .импульсов поступает импульс переноса информации, которая заключена в регистре 6 в блок 7 памяти. Информация о знаке и величине ошибки, находящаяся в блоке 7 памяти преобразуется в длительность рабочего импуль са -fcp с периоде коммутации Т| следующим образом. Если регистр 6, а следовательно, и блок памяти 7 имеют по ti двоичных разрядов, то реверсивный счетчик 19 и второй счетчик 20 имеют по п -1 двоичных разрядов. Состояние старшего разряда блока 7 памяти характеризует знак ошибки регулятора: состояние О ошибка отрицательная (действительная скорость выше заданной); состояние 1 ошибка положительная (действительная скорость ниже заданной). Предположим, что ошибка регулгятора отрицательная, т.е. действительная скорость двигателя выше заданной. Следовательно, состояние старшего разряда блока 7 памяти О. При этом реверсивный счетчик 19 устанавлигается на прямой счет. С выхода делителя частоты 18 на входы реверсивного счетчика 19 и второго счетчика 2О постоянню поступают импульсы и они синхронно переключаются При установке второго счетч ша 2О в состояние О импульс с его выхода подается на вход предварительной записи реверсивного счетчика 19 и происходит предварителЪная запись в счетчике 19 , информации, находящейся в данный момен времени в блоке. 7 памяти. Одновременно с этим импульс с выхо да второго счетчика 2О через второй переключатель 21 устанавливает в состояние (рабочее) третий триггер 22 Этот момент времени принимается за начало периода коммутации Т| и начало рабочего импульса tpTopMВыходными импульсами делителя 18 частоты реверсивный счетчик 19 и второй счетчик 20 переключаются до полного заполнения реверсивного счетчика 19. При этом импульс с выхода реверсивного счетчика 19 поступает на входы установки О третьего 22 и четвер того 23 триггеров и устанавливает их

пульс длительностью -ЬртормПри полном заполнении второго счет- 1ше периода коммутации Т|. Выходной импульс второго счетчика 2О при установке его в состояние О снова производит предварительную запись в реверсивном счетчике 19 информации, находящейся в данный момент времени в блоке 7 памяти и включает третий трш гер 22 в рабочее состояние, т.е. начинает новый цикл (начало нового периода коммутации Т и нового рабочего импульр TOpN Сформированный рабочий импульс bpTOpM выхода третьего Tpvirrepa 22 поступает на соответствующий вход коммутатора 15, который подключает индукторы 24 к сети на время -tpjopM Индукторы 24 создают бегущее марнитное поле определенного направления, создавая тормозящий момент для уменьшения скорости вращения. При изменении величины отрицательной ошибки соответственно изменяется информация в блоке 7 памяти, которая переносится при предварительной записи в реверсивный счетчик 19, изменяя соответственно длительность рабочего импульса ip-ropM от нуля aoipT-opf - Т, причем максш«1альной величине отрица- тельной ошибки соответствует-tp орм Тц, а гулевой ошибке-tp- op О. Если ошибка регулятора положительная, т.е. действительная скорость дви- гатепя ниже заданной, то состояние старшего разряда блока 7 памяти - . При этом реверс1:зный счетчик 19 устанавливается на обратный счет и второй переключатель 21 переключается на четверотый триггер 23. При установке второго счетчика 20 в состояние О импульс с его выхода подается на вход предварительной записи реверсивного счетчика 19 и происходит предварительная запись в счетчике 19 информации, находящейся в данный момент времени в блоке 7 памяти. Одновременно с этим импульс с выхода второго счетчика 20 через второй переключатель 21 устанавливает в состояние 1 четвертый триггер 23, Этот момент времени принимается за начало периода коммутации Т и начало работы импульса tp врВыходными импульсами делителя 18 частоты реверсивный счетчик 19 и вто- рой счетчик 2О переключается до состоя ния О реверсивного счетчика 19. При этом импульс с выхода реверсивного счетчика 19 поступает на входы установки О третьего 22 и четвертого 23 триггера и устанавливает их в состояние О. На выходе четвертого триггера 23 сформировался рабочий импульс длительностью -fcp gp. .При полном заполнении второго счетчика 20 и по1следующем переходе его в состояние О заканчивается формирование периода коммутации Тц и выходным его импульсс м начинается новый цикл форя шрования в соответствии с информацией о величине ошибки в блоке 7 памяти. Сформирован{1ый рабочий импульс-fcp с выхода четвертого триггера 23 поступает на соответствующий вход коммутатора 15, который подкл бчает индукторы 24 к сети на время tp вр Индукторы 24 создают бегущее маг. нитное поле другого направления, создавая вращающий момент для увеличения скорости вращения. При изменении величины положительной ошибки соответствен но изменяется длительность рабочего им пульса tp ер от пупя до -fcp вр Тц, где нулевой ошибке соответствует ip р 0, а максимальной по величине положительной ошибке t -р вр- ТкЕсли скорость двигателя 16 выше, верхнего предела установленного диапазо на регулирования, то импульс импульсног датчика 17 скорости, задающего коней измеряемого интервала, поступает на вхо второго формирователя 11 импульсов еще до полного заполнения счетчика 3. Импульс BTopoixj формирователя 11 импульсов через элемент ИЛИ 13 и пер вый триггер 8 закрывает ключ 9 и прекращает поступление в счетчик 3 импуль сов генератора 1О. Одновременно запрещающий импульс с формирователя 11 че рез второй триггер 12 блокирует первый переключатель 5 в закрытом состоянии, не допуская прохождения импульсов с генератора 1О на вход регистра 6. Чере время задержки с формирователя 11 поступает ::мпульс переноса информации, которая заключена в регистре 6 в блок 7 памяти. А так как регистр б находится в исходном состоянии, то эта информация и будет перене(сена в блок 7 памяти. Таким образсж, в блоке памяти 7 будет записываться информация исходно го состояния регистра 6 независимо от id 710 того, насколько скорость двигателя 16 выше верхнего предела уста«ювлеиного диапазона регулирования. Информация, находящаяся в блоке 7 памяти, свидетельствует о том, что в данном случаеошибка регулятора максимальная отрицательная, и регулятор работает аналогично описанному выше (случай отрицательной ошибки), за исключением того, что в каждом периоде Т длительность рабочего импУльса -fcp торм Индукторы 24 постоянно подключены к питающей сети таким образсм, что создают макс мальный тормозяшпнй момент, уменьшая скорость двигателя до тех пор, пока она не уменьшится ниже верхнего предела диапазона регулирования. По достижении скорости двигателя верхнего предела диапазона регулирования, счетчик 3 заполняется полностью и через первый элемент И 4 открывает первый переключатель; 5 и на вход 9- гистра 6 поступают импульсы генератора 10, переключая регистр 6 в соответствующее положение обычным способом. Если скорость двигателя 16 ниже нижнего предела установленного диапазона регулирования, то импульс, поступающий с импульсного датчика 17 скорости, задающего начало измеряемого интервала, и сформированный в формирователе 1, переносит задание, записанное в блоке 2 задания скорости в счетчик 3, устанавливает регистр 6 в исходное состояние и через триггер 8 открывает ключ 9. , В счетчик 3 начинают поступать импульсы генератора 10. По заполнении счетчика 3 до полного объема срабатывает первый элемент И 4 и через элемент ИЛИ 13 переключает триггер 8. При этом закрывается ключ 9 и прекращает поступление импульсов с генератора 1Ов счетчик 3. Одновременно выходной импульс элемента И 4 открывает переключатель 5 и в регистр 6 начинают поступать импульсы генератора Ю. По заполнении регистра 6 до полного объема срабатывает второй элемент И 14, закрывает переключатель 5 и прекращает поступление импульсов генератора 10 на управляющий вход регистра 6. Одновременно с элемента И 14 поступает импульс переноса информации, которая заключена в регистре 6 в блок 7 памяти. А так как регистр 6 полностью заполнен, то эта информация и будет перенесена в блок 7 памяти. Таким образом, в блоке 7 памяти будет записываться информация полностью заполненного регистра 6 независимо or того, насжопько скорость двигателя ниже установленного диапазона регупирования. Инфopv aция, находящаяся в блоке 7 памя ти, свидетельствует о том, в данном случае ошибка регуля тора максимальная положительная, и регулятор работает ана логично опиоанному выше (случай положительной ошибки), за исключением того что в каждсйуЛ периоде Т длительность рабочего импульса t gp к- Индуктор 24 постоянно подключены к питающей сети таким образом, что создают максимальный вращающий момент, увеличивая скорость двигателя до тех пор, пока . она не увеличится выше .нижнего предела диапазона регулирования. При превышении скорости двигателя выше нижнего предела диапазона регулирования регистр 6 полностью не заполняется и второй элемент И 14 перестает блокировать переключатель 5. Блокировку переключателя 5 и выдачу разрешающего импульса н перенос информации с регистра 6 в блок памяти 7 осуществляет второй формирова тель 11 обычным способом. Точность и стабильность предложенного цифрового регулятора скорости асинхронного двигателя по сравнению с известным базовым увеличены примерно на 30-40%. В связи с полным отсутствием аналогчэвых элементов данный регулятор имеет по сравнешпо с известным более высокую надежность, более простую конст ;укцшо, технологию изготовления и настройки, более высокую степень унифика:ции элементов регулятора. При этом уменьшается требуемая стабильность иоточников питания регулятора. Все это позволяет получить определенный технико экономический эффект в случае его применения. Формула изобретения Цифровой регулятор, содержащий первый формирюватель импульсов, первый выход которого через последовательно соединенные блок задания скорости, порвый счетчик импульсов, первый элемент И, первый переключатель и регистр подключен к первсшу входу блока памяти, а второй выход через последовательно соединенные первый триггер и ключ - к второму входу первого счетчика импульсов, второй вход ключа подсоединен к выходу генератора импульсов, соединенного с вторым входом первого переключателя, второй формирователь импульсов, первый, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к второму вхо-, ду блока памяти, через второй тригг ер к третьему входу первого пе,реключатепя и к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходсям первого элемента И, а выход - с вторым входом йервого триггера, второй элемент И, Ьыход которого соединен с четвертым входом первого переключателя и с тре- гьим входом блока памяти, а входы - с вторыми выходами регистра, второй вхбд которого соединен с первым выходом первого формирователя импульсов и с вторым входом второго триггера, а также последовательно соединенные коммутатор и двигатель, связанный с датчиком, скорости, выходь которого подключены к входам соответствующих формирователей импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности регулятора, в него введены делитель частоты, реверсивный счетчик импульсов, второй счетчик импульсов, второй переключатель, третий и четвертый триггеры, выходы которых подключены к соответствующим входам коммутатора, нервые входы - к соответствующим выходам второго переключателя, а третьи входы - к выходу реверсивного счетчика импульсов, первые входы которого соединены с соответствующими выходами блока памяти, второй вход через дeлиfeль частоты - с выходом генератора импульсов, а третий вход - с выходом второго счетчика импульсов и с первым входом второго переключателя, второй и третий входы которого подключень к выходам старшего разряда блока памяти, а вход второго счетчика импульсов соединен с выходом делителя частоты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 312235, кл. q 05 В 11/06, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР . № 849137, кл. Q 05 В 11/01, 1981 (прототип).