Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов Советский патент 1993 года по МПК H03B27/00 

Изобретение относится к электротехнике, измерительной технике и может быть использовано в системе управления электропривода.

Известен цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, который содержит блок управления, генератор переменной частоты, реверсивный рчетчик, первый и второй блок постоянного запоминания, первый и второй цифроаналогЬвые преобразователи, первый, второй и третий сумматоры и управляемый источник опорного напряжения.

Этот генератор обеспечивает высокое качество синусоидальной формы сигнала в диапазоне от долей до сотен килогерц и

стабильность сдвига фаз выходного напряжения. .

Однако недостатком известного генератора является отсутствие возможности регулировки фазы выходного напряжения. На практике такая-возможность требуется довольно часто, например, в высокодинамичных асинхронных электроприводах с векторной системой управления, где изменение момента, развиваемого асинхронным двигателем, производится за счет изменения угла между вектором потокосцепления ротора и обобщенным вектором тока статора. Пространственное положение этого вектора зависит от фазы выходного трехфазного напряжения преобразователя частоты, задаваемой фазой выходного наЧ

О

3

00

ю

ы

пряжения генератора трехфазных синусоидальных сигналов системы управления электропривода.

Известен цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор переменной частоты, вход управления которого соединен с первым выходом блока управления, реверсивный счетчик, первый блок постоянного запоминания, первый цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянного запоминания, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, второй цифроанаяоговый преобразователь и второй сумматор, а также третий сумматор, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с входом управления реверсивного счетчика и входом управления первого управляемого источника опорного напряжения, вход которого соединен с входами опорного напряжения первого и второго цифроаналоговых преобразователей и с другими входами первого и второго сумматоров. Первый инвертор, вход которого соединен с выходом второго сумматора, четвертый сумматор и второй инвертор, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, последовательно соединенные третий цифроаналоговый преобразователь и пятый сумматор, выход которого соединен с первым входом шестого сумматора и другим входом четвертого сумматора, последовательно соединенные четвертый цифроаналоговый преобразователь и седьмой сумматор, выход которого соединен с вторым входом шестого сумматора, а также второй управляемый источник опорного напряжения, вход которого соединен с четвертым выходом блока управления. Выход первого сумматоре соединен с третьим входом шестого сумматора, выход первого инвертора соединен с четвертым входом шестого сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматоре, выход первого блока постоянного запоминания соединен с входом третьего цифроа- налогового преобразователя, выход второго блока постоянного запоминания соединен с входом четвертого цифроаиалогового преобразователя, выход второго управляемого источника опорного напряжения соединен с входами опорного напряжения третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей и с другими входами пятого и седьмого сумматоров, а выходы второго инвертора и шестого сумматора является соответственно первым и вторым выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных

сигналов. Выход второго управляемого источника опорного напряжения соединен с входами опорного напряжения третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей и с другими входами пятого и седьмого сумматоров через блок коррекции амплитуды, другой вход которого соединен с выходом первого управляемого источника опорного напряжения.

0 Этот генератор обеспечивает возможность плавной регулировки фазы выходного напряжения в широком диапазоне и стабилизацию амплитуды выходного напряжения при регулировке фазы.

5 Однако недостатком известного генератора являются повышенные нелинейные искажения формы выходного напряжения генератора.

Повышенные нелинейные искажения

0 синусоидальной формы выходного напряжения генератора обусловлены тем, что в блоках постоянного запоминания записывается информация о синусоидальных сигналах, имеющих постоянную

5 составляющую, равную амплитуде синусоидального сигнала. Наличие этой составляющей приводит к тому, что изменению выходного напряжения от нуля до амплитудного аначвмия соответствует 2mf2 комби0 наций (квантований амплитуды по уровню), где т - число выходов блока постоянного запоминания, т.е. в 2 раза меньше, чем может быть обеспечено при более рациональном использовании разрядности выходного

5 кода блоков постоянного запоминания. Уменьшение числа квантований выходного напряжения генераторе по уровню приводит к увеличению шага квантования, т.е. к уменьшению нелинейных искажений сину

0 социальной формы этого напряжения.

Таким образом, целью предлагаемого изобретение является уменьшение нелинейных искажений формы выходного напря- зяемия генератора трехфазных

5 синусоидальных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в генератор введен элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам (N0 f)-ro и N-ro старших разрядов N - разрядного выхода реверсивного счетчика, а выход которого подключен к входам старших разрядов первого и второго цифроаналоговых преобразователей, при этом выход третьего

5 сумматора соединен с одним из входов первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с одним из входов третьего сумматора, входы старших разрядов третьего и четвертого цифроаналоговых преобра- эователей подключены к выходу М-ого

разряда N-разрядного реверсивного счетчика, выход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов первого сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.

На фиг.1 изображена функциональная электрическая схема генератора; на фиг.2 и 3 - соответственно векторные диаграммы и эпюры напряжений, поясняющие работу генератора; на фиг.4 - вариант практической реализации блока управления.

Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов содержит последовательно соединенные блок 1 управления, генератор 2 переменной частоты и реверсивный счетчик 3, вход управления направлением счета которого подключен к второму выходу блока 1 управления. К выходу реверсивного счетчика 3 подключены блоки 4 и 5 постоянного запоминания. К выходу блока А постоянного запоминания подключены последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь 6 и сумматор 7, а также цифроаналоговый преобразователь 8 и сумматор 9. К выходу блока 5 постоянного запоминания подключены последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь 10 и сумматор 11, а также цифроаналоговый преобразователь 12. Выходы старших разрядов N, N-1 реверсивного счетчика 3 соединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента исключающее ИЛИ 13. Первый вход логического элемента исключающее ИЛИ 13 соединен с входами старших разрядов циф- роаналоговых преобразователей 10,12, а выход соединен с старшими разрядами цифроаналоговых преобразователей 6, 8. Третий выход блока 1 управления соединен с входом управляемого источника 14 опорного напряжения; выход которого подключен к опорным входам цифроаналоговых преобразователей б, 10 и вторым входам сумматоров 7, 11. Четвертый выход блока 1 управления соединен через управляемый источник 15 опорного напряжения с первым входом блока 16 коррекции амплитуды, второй вход которого подключен к выходу управляемого источника 14 опорного напряжения, а выход - к опорным входам цифроаналоговых преобразователей 8, 12, четвертому и второму входам сумматоров 7 и 9. соответственно. Третий вход сумматора 7 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 12. Выход сумматора 11 соединен с третьим входом сумматора 9, выход которого соединен с первым и пятым входами сумматоров 17 и 7 соответственно.

Выход сумматора 7 соединен со вторым входом сумматора 17. Выходы сумматоров 7, 9 и 17 являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.

5Реализация предлагаемого генератора основана на использовании результатов математического преобразования векторов из исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симмет0 ричную трехфазную систему. Принципы двухфазно-трехфазного преобразования переменных заключаются в следующем (3,4). Синусоидально изменяющееся во времени напряжение изображается (3) на неподвиж5 ной комплексной плоскости +1; +J в виде вращающегося вектора /т М асм.фиг.2а). Проекция этого вектора на ось +1 равна V-н

- VniCOsa , проекция на ось + j равна V+j

-A/mSlna; где Vm - модуль напряжения; о to t 0 + - угол между вектором V и осью +1, отсчитываемый в направлении против движения часовой стрелки; ot- угловая частота; - начальная фаза. За время, равное периоду изменения напряжения; вектор совершает на 5 комплексной плоскости +1; +J один оборот.

Если принято 0, то в начальный мо- мент&м 0 вектор будет направлен по оси

+1. 0Введем еще одну прямоугольную систему координат ХУ, вращающуюся в пространстве синхронно с вектором напряжения (см.фиг.26), причем в момент времени ах. - О

5 направление оси У совпадает с направлением вектора напряжения, т.е. его проекция на ось У , проекция на ось X Ux 0. При X 0 изменение амплитуды Uy приводит лишь к изменениям амплитуды вектора

0. напряжения. Изменение составляющей Ux при Uy const приводит к изменению как амплитуды, так и положения результирующего., вектора напряжения на плоскости ХУ, а следовательно и его

5 начальной фазы на плоскости +1; + j, причем Vm VruTTij n

50

у. arctg

Полагая заданными составляющие X иУ во вращающейся системе координат, соответствующие им значения в неподвижной системе координат + ; + j определяются сле- дующими выражениями (4)

(1) U + 1 Uy -COScw t - U -sinw t ,

(2) U + j - Uy -sirvy t + U -coswt.

При совмещении оси трехфазной системы с осью +1 неподвижной прямоугольной системы координат + I; + j

(3)Ua U + 1;

(4) UB - U + J cos30° - U + 1 cos60° - (U + 1 cos60° - U + J cos30°) - - (|u + 1

(5) uc --U.+ 1 cos60° - U + J cos30°.- 41/2U + VT75U + J).

Подставляя в 3-5 значения U + 1 и U + j из 1,2 получаем расчетные выражения для напряжений Ua, UB, Uc через проекции Ux, Uy вектора во вращающейся прямоугольной системе координат ХУ:

(6) Ua Uy costw t - Ux slncu t;

(7) UB -1/2 {Uy cosort - Ux sinurt) + +VT/2(Ux- coson + Uy- sin art);

(8) Uc -vT/2 (-Uy cos ал + Ux sfn ftn)-v572(Ux -costut + Uy sin cot);

Уравнения 6-8 определяют тип блоков и значения коэффициентов передачи по входам сумматоров, необходимых при практической реализации выходной части цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов, осуществляющей двухфазно-трехфазное преобразование сигналов Ux, Uy в сигналы Ua, UB, Uc.

Цифровой генератор работает следующим образом. .

На первом выходе блока 1 управления вырабатывается сигнал управления частотой генератора 2 переменной частоты, с выхода которого периодическая последовательность импульсов поступает на счетный вход реверсивного счетчика 3. Сигнал управления направлением счета реверсивного счетчика 3 поступает с второго выхода блока 1 управления.

На третьем выходе блока 1 управления вырабатывается сигнал управления амплитудой выходного напряжения генератора, на четвертом выходе формируется сигнал управления фазой выходного напряжения генератора. В первом и втором блоках А и 5 постоянного запоминания записаны значения синусоидального сигнала таким образом, что периодическое изменение Цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 3 приводит к изменению цифровых

кодов на выходах первого и второго блоков 4 и 5 с одинаковыми периодами как показано на фиг.За, фиг.36, Изменение направления счета реверсивного счетчика 3 (сигнал

реверс) приводит к изменению фазы сигналов на выходах первого и второго блоков 4 и 5 на 180° (момент времени ti на фиг.З). Сигналы на выходах старших разрядов N-1, N реверсивного счетчика 3 показаны на

фиг.Зж, 3. Сигнал на выходе логического элемента исключающее ИЛИ 13 показан на фиг.Зи. На выходах цифроаналоговых преобразователей 6, 8, 10, 12 сигналы имеют постоянную составляющую (фиг.Зд, Е), которая компенсируется в сумматорах 6, 9, 11. Амплитуда постоянной составляющей на выходе цифроаналоговых преобразователей 6 и 10 определяется выходным напряжением Ux первого управляемого источника

14 опорного напряжения, на выходе цифро- аналоговых преобразователей 8 и 12 - выходным напряжением Uy блока 16 коррекции амплитуды или второго управляемого источника 15 опорного напряжения

Uy, если блок 16 отсутствует.

На выходах сумматоров 11, 9 и 7 имеем соответственно сигналы

Ux sin cot, Uy cos on- Ux sin ал и

V5/2 ( Ux . cos on + Uy sin «rt)-vT/2 (Uy cos ал - Ux sin ал),из которых два последних являются сигналами Ua и Us фаз А и В симметричной системы трехфазных синусоидальных сигналов Ua, Ue и Uc в соответствии с формулами 6 и 7 . Сумматор 17 вычисляет значение напряжения с фазы С в соответствии с формулой 8 (фиг.З к).

Цифровой генератор может работать в одном из четырех основных режимов:

1. Регулирование частоты выходного напряжения при постоянной амплитуде, при этом Ux const, Uy const;

2. Регулирование амплитуды выходного напряжения при постоянной частоте, при этом Uy var, Ux cost;

3. Регулирование фазы выходного напряжения при постоянных частоте и амплитуде, при этом Ux var, Uy .cost и в генераторе должен использоваться блок 16 коррекции амплитуды;

4. Регулирование фазы м амплитуды выходного напряжения при постоянной частоте, при этом Ux var, Uy cost и в генераторе отсутствует блок 16 коррекции амплитуды.

Кроме того в режиме 2-4 может одновременно регулироваться и частота выходного напряжения за счет изменения

напряжения на первом выходе блока 1 управления.

Блок 16 коррекции амплитуды предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора при регулировании фазы. 8 этом режиме работы напряжение на четвертом выходе блока 1 управления, и соответственно, выходное напряжение второго управляемого источника 15 опорного напряжения остаются посто- янными по амплитуде, т.е. Uy cost. Выходное же напряжение Uy блока 16 коррекции амплитуды является функцией выходного напряжения Ux первого управляемого источника 14 опорного напряжения, амплитуда и полярность которого определяют требуемый сдвиг выходного напряжения генератора. Для этого, чтобы амплитуда выходного напряжения генератора оставалась постоянной при регулировании фазы, необходимо, чтобы в блоке 16 коррекции производилось вычисление скорректированного значения напряжения Uy в соответствии с выражением Uy А/иу соп31)2-их2 В качестве одного из вариантов практической реализации блока 16 коррекции могут быть использованы последовательно соединенные схемы вычисления разности квадрата 5 и извлечения корня 6.

Наряду со стабилизацией амплитуды выходного напряжения генератора, введение в генератор блока коррекции 16 позволяет существенно расширить диапазон изменения фазы выходного напряжения. Например, при изменении напряжения Ux в диапазоне Ux 0 ,.. ± Ux, где /ихмакс/ /иумакс/ - максимальное значение напряжения Ux, диапазон регулирования фазы arctg Ux/Uy составит 0 ... ± 45° без блока 16 коррекции и 0 ... ± 90° при его наличии (см.фиг.2 г), т.е. диапазон регулирования увеличивается в два раза при изменении напряжений Ux и Uy в тех же пределах. Следует отметить, что при наличии блока 16 коррекции можно обеспечить плавное регулирование фазы выходного напряжения генератора и в более широком диапазоне, в том числе и 0 ... ± 360°. Для этого необходимо дополнительно обеспечить соответствующее изменение полярности управляющих напряжений Ux и Uy при переходе результирующего вектора напряжения на плоскости ХУ из одного квадрата в другой. Сигналы управления фазой и амплитудой выходного напряжения генератора, поступающие с третьего и четвертого выходов блока 1 управления, могут быть как в цифровой, так и в аналоговых формах, что

потребует соответствующей реализации управляемых источников 14, 15 напряжения.

Временные диаграммы работы генератора при скачкообразном изменении составляющей Ux от 0 до минус Ux-ном (третий режим работы генератора) показаны на фиг.З (интервал времени t2 ... t3). Как видно из временных диаграмм, выходные напряжения фаз А, В, С получили приращение

фазы + 90°:

ЗГЧ| -вгс 7иГОГв

U

arctg- arctg °o + 90°

5

0

5

0

0

Таким образом, по сигналам с первого выхода блока 1 управления осуществляется изменение частоты, с второго выхода - изменение чередования фаз, с третьего выхода - изменение фазы, с четвертого выхода - изменение амплитуды трехфазных синусоидальных сигналов.

Если стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора при регулировании фазы не требуется, например, в случае использования генератора в векторных системах частотного управления асинхронны- ми электроприводами, блок 16 коррекции может быть исключен из схемы генератора. При этом выход второго управляемого источника 15 опорного напряжения подключается непосредственно к опорным входам цифроаналогоеых преобразователей 8, 12 четвертому и второму входам сумматоров 7 и соответственно..

Таким образом, увеличение числа квантований выходного напряжения по уровню без увеличения разрядности блоков постоянного запоминания (по сравнению с прототипом) приводит к уменьшению нелинейных искажений формы выходного напряжения генератора трехфазных синусоидальных сигналов.

Простота реализации и широкое функциональные возможности предлагаемого генератора позволяют применять его в качестве эталонного генератора как в системах управлениявентильными преобразователями, использующими методом слежения за эталонным сигналом, так и в измерительной технике.

Предлагаемый генератор трехфазных е синусоидальных сигналов использован на СКТБ ПО Вектор в векторной системе управления асинхронного электропривода ЭПА-1-100 с фазо-частотно-токовым управлением.

На фиг.4 приведена реализация блока 1 управления формирующего сигналы управления частотой, амплитудой и фазой выходного напряжения и направлением счета реверсивного счетчика трехфазного генератора синусоидальных сигналов. Устройство

является составной частью векторной системы управления асинхронного электропривода с частотным управлением ЭПА-1-100, предназначенного для использования в различном технологическом оборудовании - роботах, станках с ЧПУ и т.д.

Использование: в электротехнике, измерительной технике, в частности в системе управления электропривода. Сущность изобретения: цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов содержит формирователь управляющих сигналов, который выполняет функцию блока управления, управляемый генератор переменной частоты, реверсивный счетчик, блоки постоянного запоминания, цифроаналогоеые преобразователи, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. управляемые источники опорного напряжения, блок коррекции амплитуды. Цель изобретения - уменьшение нелинейных искажений выходных сигналов - достигается за счёт использования результатов математического преобразования векторов из исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симметричную трехфазную систему, 4 ил.

Формула изобретения

Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, содержащий последовательно соединенные формирователь управляющих сигналов, управляемый генератор переменной частоты и реверсивный счетчик, последовательно соединенные первый блок постоянного запоминания, первый цифроаналоговый преобразователь, первый и второй сумматоры, последовательно соединенные второй цифроаналоговый преобразователь и третий сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянного запоминания, третий цифроаналоговый преобразователь и четвертый сумматор, четвертый цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные первый управляемый источник опорного напряжения и блок коррекции амплитуды, выход которого подключен к опорным входам второго и четвертого цифроаналоговых преобразователей и к одним из входов первого и третьего сумматоров, а также второй управляемый источник опорного напряжения, выход которого подключен к другому входу блока коррекции амплитуды, к опорным входам первого и третьего цифроаналоговых преобразователей и к одним из входов первого и четвертого сумматоров, при этом управляющий вход реверсивнрго счетчика, первого и второго управляемых источников опорного напряжения подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих

сигналов, N-разрядный выход реверсивного счетчика соединен с разрядными входами первого и второго блоков постоянного запоминания, разрядный вход второго цифроа- налогового преобразователя подключен к выходу первого блока постоянного запоминания, разрядный вход четвертого цифроа- налогового преобразователя подключен к выходу второго блока постоянного запоминания, выход третьего сумматора соединен с другим входом второго сумматора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов, введен элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам (N-1) и N-ro старших разрядов N-разрядного выхода реверсивного счетчика, а выход которого подключен к входам старших разрядов первого и второго цифроаналоговых преобразователей, при этом выход четвертого сумматора соединен с одним из входов первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с одним из входов третьего сумматора, входы старших разрядов третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей подключены к выходу N-ro разряда N-разрядного выхода реверсивного счетчика, выход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов первого сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.

ftel

2 (Uxcasati l/ysinutt) -(UyCKtbt-lAsviust)

-

/

Л

ff..// Л. I/

S t

M fta

№ tf/A

L

§

% v ,.

/ /