Цифровой электропривод Советский патент 1984 года по МПК H02P5/06 

3. Электропривод пп пп. 1 и 2, отличающийся тем. что преобразователь ток якоря - коэффици ент заполнения содержит инвертор, логический элемент ИЛИ-НЕ, генератор импульсов пилообразной формы, компаратор и интегратор, вход которого образует вход преобразователя, ток якоря - коэффициент заполнения, выход подключен к первому входу компаратора, выход которого соединен с входом сброса триггера второго бло ка синхронизации, выход которого 1 2 подключен к входу генератора импульсов пилообразной формы, выход которого соединен с вторым входом компаратора, выход которого подключен также к одному из входов логического элемента ИЛИ-НЕ, другой вход которого образует второй вход преобразователя ток якоря-коэффициент заполнения, а выход подключен к первому входу импульсного усилителя мощности и к входу инвертора, выход которого соединен с вторым входом импульсного усилителя мощности.

1. ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий двигатель постоянного тока с импульсным датчиком частоты вращения, подкЛюченньй к импульсному усилителю мощности, блок тактовых частот, первый реверсивный счетчик, . разрядные выходы которого соединены с входами блока ограничения и регистра, первый триггер, выходами подключенный к первым входам двух логических элементов И, выходы которьгх соединены соответственно с входами сложения и вычитания второго реверсивного счетчика, логический элемент ИЛИ, блок синхронизации, к входам которого подключены три выхода блока тактовых частот, выход импульсного датчика частоты вращения и выходы блока ограничения, выходы блока синхронизации соединены с входами первого реверсивного счетчика, входы логического элемента ИЛИ подключены к вьЬсодам переноса и заема второго реверсивного счетчика, подключенным также к установочным входам первого триггера, прямой выход которого соединен со стробирующим входом регистра, входы которого и выход логического элемента ИЛИ соединены соответственно с входами параллельной записи и стробирующим входом второго реверсивного счетчика, причем четвертьй выход блока тактовых частот подключен к вторым входам двух логических элементов И, о т -г личающийся тем, что, с целью повышения качества и точное ти регулирования, в него дополнительно введены датчик тока якоря электродвигателя, преобразователь Ток якоря - коэффициент заполнения и второй блок синхронизации, разрядные входы которого соединены с в разрядными выходами второго реверсивного счетчика, другой вход второ го блока синхронизации подключен к первому выходу преобразователя ток якоря - коэффициент заполнения, два других выхода которого соединены с входами импульсного усилителя мощности, первый вход преобразователя, ток якоря - коэффициент заполнения подключен к выходу датчика тока якоря электродвигателя, второй вход соединен с инверсным выходом первого триггера, а третий вход - с выходом второго блока синхронизации. 2. Электропривод по п. 1, о т личающийся тем, что,второй блок синхронизации содержит триггер и дешифратор единицы младшего разряда, разрядные входы которого образуют входы второго блока синхронизации, а выход подключен к установочному входу триггера, вход сброса которого и прямой выход образуют соответственно другой вход и выход второго блока синхронизации.

1 . . -. Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления двигателями небольшой мощности при высоких требованиях к статической точности регулирования. Известен цифровой электропривод, (Содержащий двигатель постоянного тока с импульсным датчиком частоты вращения, подключенный к импульсном усилителю мощности, блок тактовых частот, первьй реверсивный счетчик, разрядные выходы которого соединены с входами блока ограничения и регис ра, триггер, выходами подключенный к первым входам двух логических эле ментов И, выходы которых соединены с входами второго реверсивного счет чика С1 3 Недостатком данного.электроприво да является наличие существенных пульсаций частоты вращения, особенн в диапазоне низких частот, что обус ловлено изменением периодичности поступления импульсов управления дв жением, а собственно периодичность определяется частотой вращения и, естественно, при низких частотах вращения период поступления импульс велик, фильтрующие свойства двигате ля на низких частотах ухудшаются, что и обуславливает увеличение пуль саций частоты вращения. Наиболее близким к изобретению по технической сущностия является цифровой электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока с импульсным датчиком частоты вращения, подключенный к импульсному усилителю мощности, блок тактовых частот, первый реверсивньш .счетчик, разрядные выходы которого соединены с входами блока ограничения и регистра, триггер, выходами подключенный к первым входам двух логических элементов И, выходы которых соединены соответственно с входами сложения и вычит.ания второго реверсивного счетчика, логический элемент ИЛИ и блок синхронизации, к входам которого подключены три выхода блока тактовых частот, импульсный датчик частоты вращения и блок ограничения, а выходы соединены с входами первого реверсивного счетчика, входы логического элемента ИЛИ подключены к вьгходам переноса и заема второго реверсивного счетчика, подключенным к установочным входам триггера, прямой выход которого соединен со стробирующим входом регистра, выходы которого и выход логического элемента ИЛИ соединены соответственно с входами параллельной записи и стробирукйцим входом второго реверсивного счетчика, причем четвертый выход блока тактовых частот подключен к вторьп ; входам двух логических элементов- И. Сущность работы электропривода заключается в сравнении периода импульсов заданной частоты вращения fj двигателя и истинной частоты вращения f двигателя и выработке широтно-импульсного управляющего 3 сигнала, пропорционального сигналу рассогласования между импульсными последовательностями f- и f., Постоянство периода модуляции обеспечивает минимальные пульсации частоты вращения двигателя С 2. Недостатком известного электропривода является то, что в закон управления частотой вращения двигателя входит лишь интегральная составляющая , вырабатываемая в первом реверсивном счетчике, так как при поступлении на его входы импульсов |заданной f и истинной f л частот вращения двигателя на выходе образу ется код суммы отклонений между задан ным и истинным значениями величины. Пренебрегая эффектом дискретизации и квантования, можно записать t 4il Sft-i) где Nu(t) - текущее значение кода первого реверсивного счетчика. 1 Таким образом, известньй электро .привод представляет собой И-регулятор. Подобная структура регулятора применительно к объекту управления описываемого периодическим звеном с двумя инерционностями (а именно таким звеном и является двигатель постоянного тока), приведет к сниже нию качества и точности регулирования VBпределе - к потери устойчиво ти). Оптимальным в этом смысле явля ется пи-регулятор. Целью изобретения является повьш ние качества и точности регулирования Поставленная цель достигается тем, что в цифровой электропривод, содержащий двигатель постоянного то ка с импульсным датчиком частоты вр щения, подключенный к импульсному усилителю мощности, блок тактовых частот, первый реверсивный счетчик разрядные выходы которого соединены с входами блока ограничения и регистра, первый триггер, выходами подключенный к первым входам.двух логических элементов И, вьжоды кото рых соединены соответственно с входами сложения и вычитания второго реверсивного счетчика, логический элемент ИЛИ, блок синхронизации, к входам которого подключены три вы хода блока тактовых частот, выход импульсного датчика частоты вращен и выходы блока ограничения, выходы 2Л блока синхронизации соединены Q входами первого реверсивного счетчика, j входы логического элемента ИЛИ подключены к. выходам переноса и заема второго реверсивного счетчика, подключенным также к установочным входам первого триггера, прямой выход которого соединен со стробирующим входом регистра, входы которого и выход логического элемента ИЛИ соединены соответственно с входами параллельной записи и стробирующнм входом второго реверсивного счетчика, причем четвертьм выход блока так товых частоты подключен к вторым входам двух логических элементов И, дополнительно введены датчик тока якоря электродвигателя, преобразователь ток якоря - коэффициент заполнения и второй блок синхронизации, разрядные входы которого соединены :С разрядными выходами второго реверсивного счетчика, другой вход второго блока синхронизации подключен к первому выходу преобразователя ток якоря - коэффициент заполнения, два других выхода которого соединены с входами импульсного усилителя мощности, первьй вход преобразователя ток якоря - коэффициент заполнения подключен к выходу датчика тока якоря, второй вход соединен с инверсным выходом первого триггера, а третий вход -с выходом второго блока синхронизации. Кроме того, второй блок синхронизации содержит триггер и дещифратор единицы младшего разряда, разрядные входы которого образуют входы второго блока синхронизации, а выход подключен к установочному входу триггера, вход сброса которого и прямой выход образуют cpoTBeTCTBeHf но другой вход и выход второго блока синхронизации. Преобразователь ток якоря - коэффициент заполнения содержит инвертор, логический элемент ИЛИ-НЕ, генератор импульсов пилообразной формы, компаратор и интегратор, вход которого образует первый вход преобразователя ток якоря - коэффициент заполнения, выход подключен к первому входу компаратора, выход коТорого соединен с входом сброса триггера второго блока синхронизации, выход которого подключен к входу генератора импульсов пилообразной формы, выход которого соединен с вто рым входом компаратора, выход которого подключен также к однрму из вх дов логического элемента ИПИ-НЕ, дру гой вход которого образует второй вход преобразователя ток якоря - коэффициент заполнения, а выход подключен к первому входу импульсного усил ителя мощности и к входу инвертора, выход которого соединен с вторым входом импульсного усилителя мощности На чертеже приведена структурная схема цифрового электропривода. Электродвигатель 1 с импульсным датчиком 2 частоты вращения и датчиком 3 тока якоря подключен к импульс ному усилителю 4 мощности. Три выхода блока 5 тактовых частот соединены .с входами первого блока 6 синхрониза ции, к блокировочным входам которого подключен блок 7 ограничения, выполненный на параллельно соединенных по входам дешифраторах единиц 8 и нулей 9, входы которых вместе с входами регистра 10 соединены, с разрядными выходами реверсивного счетчика 11, подключенного к выходам блока 6 синхронизации. К стробирунлцему входу регистра 10 подключен прямой выход триггера 12. Выходы регистра 10 соединены с входами параллельной записи реверсивного счетчика 13, к стробирующему входу которого подключен выход логического элемента ИЛИ 14, входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика 13 вместе с установочными входами триггера 12j прямой и инверсный выходы последнего через два логических элемента И 15 и 16 соединены соответственно с входами вычитания и сложения реверсивного счетчика 13. Четвертьй1 выход блока 5 тактовых частот подключен к вторым входам логических элементов И 15 и 16. Разрядные выходы второго реверсивного счетчика 13 соединены с разрядными входами второго блока 17 синхронизации, который содержит триггер 18 и депгафратор 19 единицы мпадшего разряда, его разрядные входы являются входами второго блока 17 синхронизации и соединены с разрядными выходами второгр реверсивного., счетчика 13, а выход его подклкгчен к установочному входу, триггера 18. , Преооразователь 20 ток якоря - коэффициент заполнения содержит инвертор 21, логический элемент HJDi-HE 22, генератор 23 импульсов пилообразной формы, компаратор 24 и интегратор 25, вход которого подключен к датчику 3 тока якоря, выход - к первому входу компаратора 24, выход которого подключен -к первому входу логического элемента ИЛИ-НЕ 22 к к входу сброса триггера 18, прямой выходкоторого соединен с входом генератора 23 импульсов пилообразной формы. Второй вход логичес1Сого элемента ИЛИ-НЕ 22 подключен к инверсному выходу триггера 12, выход - к первому входу импульсного усилителя 4 мощности непосредственно, а к второму его входу - через интегратор 21, Цифровой электропривод работает следующим образом. Блок 5 тактовых частот вырабатывает импульсную последовательность заданной частоты вращения f, двигателя 1 и три несовпадающих во времени тактовьрс последовательностей Заданнцая частота f, t Л i Л/7 . L.f 01 02 -ОЗ И частота обратной связи fp э форми21руются импульсным датчиком /1 частоты вращения двигателя 1, поступают в блок 6 синхронизации. Последний осуществляет привязку импульсов fg, f ос к тактовым.последовательностям f(j., , f.Q2 соответственно. Это необходимо для того, чтобы исключить одновременное поступление импульсов fa на суммирующий, fj,, на вычитающий входы первого реверсивного счетчика 11. Текущее значение кода Nu(t) в реверсивном счетчике 11 пропорционально величине t (V) т.е. интегралу ошибки в системе. Если же по каким-то причинам f,fд., то на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 11 поступает в единицу времени больше импульсов, чем на его вычитающий вход. Следовательно, код в первом реверсивном счетчике 11 возрастает, вызывая увеличе ние частоты вращения до момента Если ,, то происходит обратный процесс. За счет наличия интегральной составляющей в законе регулирования система имеет нулевую методическую ошибку при управляю1цих воздействиях типа скачок.

Блок ограничения предотвращает опрокидывание первого реверсивного счетчика 11 при больпшх или длительных рассогласованиях между f , ,.

Происходит это следующим образом. Если fj f JJC и первый реверсивный счетчик 11 принимает состояние Все единицы, то срабатьшает дешифратор 8 единиц,выходной сигнад которого блокирует поступление - импульсов fa на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 11. При этом импульсы fgf продолжают поступать на его вычитающий вход вплоть до входа в линейную зону работы. После этого сигнал блокировки снимается. Аналогичные процессы происходят и при соотношении ,p с той лишь разницей, что первый реверсивный счетчик 11 принимает состояние Все нули и срабатывает дешифратор 9 нулей , блокирующий выходным сигналом поступление импульсов на вычитающий вход первого реверсивног счетчика 11.

Код регистра 10 преобразуется

В широтно-импульсный сигнал (период постоянный, коэффициент заполнения переменный). Это осуществляется еле.дующим образом. При опрокидывании триггера 12 в единичное состояние через логический элемент ИЛИ 14 разрешается перепись кода регистра 10 во второй реверсивный счетчик 13, а импульсы частоты поступают через логический элемент И 15 на вычитаюпщй вход.второго реверсивного счетчика 13. Процесс уменьшения содержимого второго реверсивного счетчика 13 продолжается до его обнуления и появления импульса заема. Последний вызывает установку триггера 12 в нулевое состояние и вновь перепись кода регистра 10 во второй реверсивный счетчик 13. Теперь открыт логический элемент И 16 и импульсы частоты f .JJ поступают на суммирующий вход второго реверсивного счетчика 13 до его заполнения и появления импульса переноса, устанавливающего триггер 12 в единичное состряние. Таким образом, на выхода триггера 12 имеет место широтноимпульсный сигнал с периодом,.опредляемым частотой и емкостью второго реверсивного счетчика 13. Период выбирается так, чтобы двигатель 1 служил фильтром нижних частот (для

двигателей мощностью единицы-десят,ки киловатт частота модуляции единицы-десятки -килогерц).

Так как длительность единичного состояния триггера 12 пропорциональна коду регистра 10, то и длительность пбдключения якорной цепи двигателя 1 к источнику +Е также пропорциональна этой величине.

Поскольку импульсы частоты f, оэ разнесены 3 0 времени, то съем кода первого реверсивного счетчика 11 в регистр 10 проходит только в моменты стационарного состояния первого реверсивного счетчика 11.

Однако, поскольку двигатель 1 представляется периодическим звеном с двумя инерционностями, то цифровой электропривод, в закон управления которого входит только интегральная составляющая сигнала ошибки между fj и fос ив обеспечивает заданных показателей точности и качества регулирования. Это объясняется тем, что логарифмическая частотная характеристика ЛЧХ регулятора пересекает ось частот под наклоном 40 Б/дек, что не обеспечивает запаса устойчивости системы по амплитуде и по фазе.

Для обеспечения заданных показателей качества и устойчивости системы необходимо использовать ПИ-регулятор, т.е. ввести в закон регулирования пропорциональную (П) составляю щую. Последнее осуществляется введением сигнала обратной связи по току якоря двигателя, который является дифференциальной составляющей выходного сигнала, в данном случае, частоты вращения двигателя 1. Проинтегрировав производную от выходной координаты, получим пропорциональную составляющую закона регулирования, которая затем, просуммировавшись с интегральной составляющей, обеспечит пи-структуру цифрового электро привода.

Вьшесказанное осуществляется следующим образом.

Сигнал, пропорциональный току якоря, снимается с датчика 3 тока и поступает на вход интегратора 25. Сигнал с выхода последнего подается на ход компаратора 24, где сравнивается с опорным сигналом пилообразной ормы, вырабатываемым генераторо1м 23 мпульсов пилообразной формы. На выходе компаратора 24 образуется тирот но-нмпульсный модулированный сигнал который, суммируясь на логическом элементе ИЛИ-НЕ 22 с широтно-импульс ным сигналом, присутствующим на выходе триггера 12, управляет работой импульсного усилителя 4 мощное- ти. При этом второй блок 17 синхрони Заоди осуществляет жесткую привязку переднего фронта импульсов с выхода компаратора 24 (П-составляющая закона регулирования) с задним фронтом импульсов с выхода триггера 12 (Й-составляющая). Привязка осуществляется . Следующим образом.. Дешифра тором 19 единицы младшего разряда фиксируется момент наличия единицы в младщем разряде второго реверсивного счетчика 13, при исчезновении которой происходит обнуление последнего и формирование заднего фронта широтно-модулированного импульса И-составляющей закона регулирования При этом выходной сигнал дешифратора 19 единицы младшего разряда устанавливает триггер 18 в нулевое состояние. Последнее инициирует запуск генератора 23 ш-тульсов пилообразной формы и появление именно в этот момент переднего фронта широтно-модулированного импульса П-составляющей. закона регулирования на выходе компаратора 24 и соответственно на входе логического элемента ИЛИ-НЕ. Таким образом, момент окончания заднего фронта широтно-модулированного импульса И-составляющей закона регулирования (с выхода триггера 12) совпадает с началом переднего фронта широтно-модулированного импульса П-составляющей. При этом время суммарного импульса управления Гп+Г „ где . время импульса И-составляющей, f - время импульса П-составляющей закона регулирования. Фиксация дешифратором 19 единицы младшего разряда наличия импульса именно на младшем разряде второго реверсивного счетчика 13 обуславливается необходимостью скомпенсировать внутренние задержки преобразователя ток якоря - коэффициент заполнения 20. Таким образом, предлагаемый цифровой электропривод обеспечивает повьше- ние качества и точности регулирования.

РЗ Щ

F Y L-4..4-J

u u

€