Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока Советский патент 1980 года по МПК H02P5/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

1

Изобретение относится к электроприводам, а именно к электропривода постоянного тока с двигателями, управление которыми осуществляется как изменением напряжения на якоре, так и изменением магнитного потока и может применяться в электроприводах подъемно-транспортных машин, экскаваторов, шахтных подъемных машин, прокатных станов.

Известно устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока, содержащее датчики магнитного потока и ЭДС двигателя и множительно-делительное устройство, п(эдключениое к выходам этих датчиков ill- Недостатком это- го устройства является ниэкгш точность определения частоты вращения дви1«&теля при большом Диапазоне изменения магнитного потока двигателя, особенно .при управлении, электроприводом с изменением знака магнитного потока.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату, является устройство для определения частоты враще- ; ния двигателя постоянного токд, соДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

держащее датчики ЭДС и магнитного потока двигателя, два суммирующих усилителя, подключенный ко входу

5 первого суммирующего усилителя источник постоянного напряжения, два диода, нелинейный преобразователь, два ключевых элемента и инвертор знака, причем выход датчика магfO нитного потока двигателя через нелинейный преобразователь подключен ко входу первого суммирующего усилителя, выход которого подключен ко входу второго суммирующего уси, с литепя через первый ключевой элемент и через последовательно соединенные инвертор знака и второй ключевой элемент, а выход датчика ЭДС двигателя подключен ко входу второго суммирующего усилителя и

20 через первый и второй диоды - к управляющим входам первого и вто рого ключевых элементов соответственно t2-l

.Недостатком этого устройства

25 является малая точность определения частоты вращения двигателя при большом диапазоие изменения магfiHTHoro потока электродвигателя, особенно при одновременном и независимом изменении магнитного потока и напряжения на якоре и в случае управления электроприводом с изменением знака магнитного потока.

Цель изобретения - повышение точности определения частоты вращения двигателя постоянного тока.

Это достигается тем, что в устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока, содержащее датчики ЭДС и магнитного потока двигателя, два суммирующих усилителя, подключенный ко входу первого суммирующего усилителя источник постоянного напряжения и два диода, введены блок перемножения, два дополнительных диода и узел формирования знака частоты вращения, а датчики ЭДС и магнитного потока двигателя и второй суммирующий усилитель выполнены с инвертирующим и неинвертирующим выходами, причем неинвертирующий и инвертирующий выходы датчика магнитного потока двигателя через первый и второй диоды подключены ко входу первого суммирующего усилителя, выход которого через блок перемножения, второй вход которого соединен с неинвертирующим выходом второго суммирующего усилителя, подключен к первому входу второго суммирующего усилителя, второй вход которого через третий и четвертый диоды соединен с неинвертирукяцим и инвертирукяцим выходами датчика ЭДС двигателя, а выходы второго суммирующего усилителя подключены ко входам узла формирования знака частоты вращения, ко входам задания знака которых подключены выходы датчиков магнитного потока ЭДС двигателя. Узел формирования знака частоты вращения двигателя выполнен в виде блока перемножения, подключенного ко входам задания знака этого узла, двух дополнительных резисторов, четырех соединенных попарно-встречно диодов и дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод, общие точки между которыми через третий и четвертый- диода соединены с выходом блока перемножени указанного узла. Повышение точности определения частоты вращения двигателя обеспечивается также тем, что узел формирования знака частоты вращения выполнен в виде четырех логических элементов И-НЕ, двух дополнительных резисторов, шести диодов и включенного между выходом указанного узла и его входами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующи выходами второго суммирующего усилителя, дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод, общая точка которых в цепи первого входа соединена через включенные встречно первому диоду третий и четвертый диоды с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, общая точка между дополнительным резистором и диодом в цепи второго входа операционного усилителя соедине а через включенные встречно второму диоду пятый и шестой диоды с выходами третьего и четвертого логических элементов И-НЕ, вход узла формирования знака частоты вращения, соединенный с неинвертирующим выходом датчика ЭДС двигателя, подключен ко входам первого и третьего логических элементов И-НЕ, вход этого узла, соединённый с инвертирующим выходом датчика ЭДС двигателя, подключен ко входам второго и четвертого логических элементов И-НЕ, вход указанного узла, соединенный с неинвертирующим выходом датчика магнитного потока двигателя, подключен ко входам второго и третьего логических элементов И-НЕ, а вход этого узла, соединенный с инвертирующим выходом датчика магнитного потока двигателя, подключен к входам первого и четвертого логических элементов И-НЕ.

На фиг. 1 приведена схема устройства для определения частоты врщения двигателя постоянного тока; на фиг. 2 и 3 - схемы узла формирования знака частоты вращения.

Устройство для определения частты вращения двигателя постоянного тока содержит датчики ЭДС 1 и магнитного потока 2 двигателя, два суммирующих усилителя 3 и 4, подключенный ко входу первого суммирующего усилителя 3 источник 5 постоянного напряжения, диоды 6, 7, 8 и 9, блок перемножения 10, узел II формирования знака частоты вращения . Датчики ЭДС 1 и магнитного потока 2 двигателя и второй суммирукяций усилитель 4 выполнены с инвертирующим и неинвер;гирующими выходами, причем неинвертирующий и инвертируквдий выходы датчика магнитного потока 2 двигателя через первый .6 и второй 7 диоды подключены ко входу первого cy миpyloщeгo усилителя 3, выход которого через блок перемножения 10, второй вход которого соединен с неинвертирующим выходом второго суммирующего усилителя 4, подключен к первому входу второго суммирующего усилителя 4, второй вход которого через третий 8 и четвертый 9 диоды соединен с неинвертирующим и инвертирующим выходами датчика ЭДС 1 двигателя, а выход второго суммирующего усилителя 4 через узел II фop vmрования знака частоты вращения, ко входам задания знака которого подключены выходы датчиков ЭДС 1 и магнитного потока 2 двигателя, является выходом устройства для определения частоты вращения двигателя.

Узел 11 формирования знака частоты вращения двигателя (см, фиг. 2) выполнен в виде подключенного ко вхдам задания знака этого узла, соединенными с выходами датчиков ЭДС 1 и магнитного потока 2 двигателя блока перемножения 12, двух дополнителных резисторов 13 и 14, четырех диодов 15, 16, 17 и 18 и включенного между выходом узла 11 и его входами соедияенными с неинвертирующим и инвертирующим выходами второго суммирующего усилителя 4, дополнительного операционного усилителя 19, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод (13 и 15, 14 и 16), общие точки между которыми через третий 17 и четвертый 18 диоды соединены с выходом блока перемножения 12 узла TI

Узел II формирования знака частоты вращения (см. фиг. 2, 3) выполне в виде четырех логических элементов И-НЕ 20, 21, 22 и 23, двух дополнительных резисторов 24 и 25, шести диодов 26-31 и включенного между выходом указанного узла 11 и его входами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующикГ выходами второго суммирующего усилителя 4, дополнительного операционного усилителя 32, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод (24 и 26, 25 и 27), общая точка которых в цепи первого входа соединена через третий 28 и четвертый 29 диоды с выходами первого 20 и второго 21 логических элементов И-НЕ, общая точка между дополнительным резистором 25 и диодом 27 в цепи второго входа операционного усилителя 32 соединена через пятый 30 и шестой 31 диоды с выходами третьего 22 и четвертого 23 логических элементов И-НЕ,вход узла 11 формирования знака частоты вращения, соединенный с неинвертирующим выходом датчика 1 ЭДС двигателя Е, подключен ко входам первого 20 и третьего 22 логических элементов И-НЕ, вход узла ГТ, соединенный с инвертирующим выходом датчика 1 ЭДС двигателя Е, подключен ко входам второго 21 и четвертого 23 логических элементов И-НЕ, вход узла 11, .соединенный; с неинвертирующим в лходом датчика 2 магнитного потока двигателя Ф, подключен ко входс1м второго 21 и третьего 22 логических элементов И-НЕ, а.вход узла 11, соединенный с инвертирующим выходом

датчика 2 магнитного потока ф двигателя, подключен ко входам первого 20 и четвертого 23 логических элементов И-НЕ.

Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока работает следующим образом.

На два входа первого суммирующего усилителя 3 подаются с противоположными знаками напряжение I) с выхода источника 5 постоянного на0пряжения и пропорциональное величи- . не магнитного потока Ф двигателя напряжение Кф-Ф.51дпФ, где К - масштабный коэффициент, постоянство энака которого обеспечивается под5ключенными к неинвертирующему и инвертирующему выходам датчика 2 магнитного потока диодами 6 и 7. .Величина напряжения U выбирается не меньше максимальной величины выходного напряжения датчика 2 маг0нитногЬ потока двигателя, благодаря чему выходное напряжение первого суммирующего усилителя 3, определяемое разностью и-Кф-Ф-si дпФ, всегда имеет постоянный знак. Это

5 напряжение умножается на выходное напряжение второго суммирующего усилителя 4 и поступает с выхода блока перемножения 10 на первый вход второго суммирующего усилителя 4,

0 на второй вход которого поступает пропорциональное ЭДС двигателя Е напряжение -K E-signE, где масштабный коэффициент, постоянство знака которого обеспечивается под5ключенными к неинвертирующему и инвертирующему выходам датчика 1 ЭДС двигателя диодами 8 и 9.

При выборе сопротивлений резисторов в цепи обратной связи и в

0 цепях первого и второго входов второго суммирующего усилителя в соответствии с условиями

Г-2

.

ос

где Кцу - масштабный коэффициент частоты вращения;

к - коэффициент блока перемно0жения 10; Сс - конструктивная постоянная

двигателя; г. г, г - сопротивления резисторов

в цепи обратной связи, пер5вого и второго входов усилителя соответственнор выходное напряжение второго суммкруняцего усилителя определяется выражением

sig-nt

E-sigf E

и.

C.g -Slgftiq UU Sigfr

ИЗ которого следует, что величина выходного напряжения второго суммирукндего усилителя 4 пропорциональна частоте вращения двигателя о), а знак этого напряжения отличается от знака частоты вращения двигателя вследствие наличия в качестве сомножителя отношения знаков ЭДС и магнитного.потока двигателя, т.е. для получения на выходе устройства сигнала/ знак которого соответствует знаку частоты вращения двигателя, выходное напряжение второго суммирующего усилителя 4 должно умножаться на величину, обратную указанному отношению знаков ЭДС и магнитного потока двигателя в узле формирования знака частоты вращения II, выполняющем эту функцию.

При работе устройства в процессе уменьшения величины магнитного потока ф двигателя, одновременно уменьшается пропорцнональнсе ЭДС Е С -Ф-ш двигателя напряжение на втором входе второго суммирующего усилителя 4, однако при этом возрастает выходное напряжение первого суммирующего усилителя 3 i дпФ, которое через блок перемножения 10 поступает на первый вход второго суммирующего усилителя 4 с тем же знаком, что и напряжение на его втором входе... Аналогично при увеличении магнитного потока уменьшается напряжение на первом входе второго суммирующего усилителя 4, но возрастает (вследствие увеличения ЭДС) напряжение на его втором входе, т.е в режимах управления двигателем электропривода изменением величины магнитного потока при конечных зн чениях частоты вращения двигателя обеспечивается сохранение высокого уровня суммарного входного сигнала(и сигнала обратной связи) при широком диапазоне изменения магнитного потока, что обеспечивает повышение тючности определения частоты вращения двигателя. Изменение знака магнитного потока и ЭДС двигателя не изменяет режима работы второго суммирующего усилителя 4, на выходах которого в любых режимах сохраняются постоянные знаки напряжений (при выполнении схемы устройства в соответствии с фиг. 1)на неинвертирующем выходе этого усилителя сохраняется отрицательное напряжение, пропорциональное величине-|iff, а на его инвертирующем выходе - положительное напряжение, пропорциональное величине + tw ( ,

При уменьшении величины магнитного потока двигателя, когда частота вращения двигателя определяется отношением уменьшающихся значений ЭДС и магнитного потока и возрастает влияние погрешности работы элементов схемы.на относительную оиибк определения частоты вращения, поступанвдее с выхода первого суммирующего усилителя 3 на вход блока перемножения 10 напряжение U-Kd, i gn ф увеличивается, а в зоне больших значений входных напряжений блока перемножения 10 уменьшается относительная ошибка перемножения сигналов , что способствует повышению тоности определения частоты вращения двигателя. При увеличении величины магнитного потока выходное напряжение первого суммирующего усилителя 3, поступающее на вход блока перемжения 10, уменьшается, однако при этом уменьшается влияние точности работы блока перемножения 10 на точность определения частоты вращения, так как уменьшается величина выходного сигнала блока перемножения 10, поступающего на первый вход второго суммирующего усилителя 4, по сравнению с одновременно возрастающим сигналом на втором входе второго суммирующего усилителя, пропорциональным увеличивающейся ЭДС двигателя, вследствие чего уменьшается влияние выходного сигнала блока перемножения 10 на суммарную величину входных сигналов второго суммирующего усилителя, определяющую пропорциональное частоте вращения выходное напряжение этого суммирующего усилителя 4. Таким образом, обеспечиваемый в предложенном устройстве режим работы блока перемножения 10 способствует повышению точности определения частоты вращения двигателя при широком диапазоне изменения магнитного потока.

При наличии высокочастотных помех их влияние., на работу устройства может быть уменьшено до допустимого значения включением конденсатора в цепь.обратной связи второго суммирующего усилителя 4.

Выполнение узла II формирования знака частоты вращения по схеме, приведенной на фиг. 2, позволяет исключить нелинейный аналоговый преобразователь из канала прохождения определяемого сигнала и этим исключить влияние нестабильности его характеристики на точность определения частоты вращения. При одинаковых знаках ЭДС и магнитного потока двигателя знак выходного напряжения блока перемножения 12 положителен. При этом диод 17 открыт и положительный потенциал на его катоде запирает диод 15. Диод 18 запирается положительным потенциалом на выходе блока перемножения 12, а положительное напряжение с инвертирующего выхода второго суммирующего усилителя 4 через диод 16 поступает на вход операционного усилителя 19, выходное напряжение которого., пропорционально частоте вращения двигателя, иМеет

отрицательный знак. При разных знаках ЭДС и магнитного потока двигателя выходное напряжение блока перемножения 12 имеет отрицательный знак. При этом диод 18. открывается и отрицательным потенциалом на своем аноде запирает диод 16, а диод 17 запирается отрицательным потенциалом на выходе блока пе)емножения 12, благодаря чему отрицательное напряжение с неинвертирунлцего выхода второго суммирующего усилителя 4 через диод 15 поступает на вход операционного усилителя 19, выходное напряжение которого будет при этом пропорционально частоте вращения двигателя с положительным знаком. При выполнении узла 11 в соответствии с фиг. 2 одинаковым знакам ЭДС и магнитного потока двигателя (т.е. одному определенному знаку частоты вращения двигателя) соответствует отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя 19, а следовательно, и на выходах узла 11 и устройства в целом, а разным знакам ЭДС и магнитного потока двигателя (т.е. другому определенному знаку частоты вращения двигателя) соответствует положительное напряжение на указанных выходах, в случае необходимости знаки выходного сигнала легко изменить на обратные, если один из входов блока перемножения 12 подключить не к неинвертируюдему, а к инвертирующему выходу датчика I ЭДС или датчика 2 магнитного потока двигателя.

Выполнение узла II формирования знака частоты вращения согласно фиг. 3 позволяет полностью исключить необходимость применения нелинейных аналоговых преобразователей. Работа логических элементов И-НЕ 20, 21, 22 и 23 определяется тем, что при одинаковых знаках ЭДС и магнитного потока двигателя знаки сигналов на неинвертирующих выходах датчиков

1ЭДС и 2 магнитного потока двигателя одинаковы, а знаки сигналов на их инвертирующих выходах противоположны предыдущим и одинаковы между собо С другой стороны, при разных знаках ЭДС и магнитного потока двигателя знак сигнала на неинвертирующем выходе датчика 1 ЭДС двигателя совпадает со знаком сигнала на инвертирующем выходе датчика 2 магнитного потока двигателя, а знак сигнала на инвертирующем выходе датчика 1 ЭДС двигателя совпадает со знаком сигнала

на неинвертирующем выходе датчика

2магнитного потока двигателя и противоположен знаку предыдущих сигналов. При одинаковых знаках ЭДС и магнитного потока двигателя формируекые при этом отрицательные потенциалы на выходах первого 20 и второго 21 логических элементов ИгНЕ

запирают диоды 28 и 29, благодаря чему отрицательное напряжение с иеинвертирующего выхода второго суммирующего усилителя 4 через диод 26 поступает на вход операционного усилителя 32, выходное напряжение которого, пропорциональное частоте вращения двигателя,, поступает на выходы узла II и всего устройства с положительным знаком, соответствующим

определенному направлению вращения

двигателя (диод 27 при этом заперт отрицательным потенциалом на его аноде, поступающим через открытые диоды 30 и 31).

При разных знаках ЭДС и магнитного потока двигателя схема работает аналогично, но запираются диоды 30 и 31, а положительное напряжение с инвертирующегю выхода второго с уммирующего усилителя 4 поступает на вход операционного усилителя 32 через диод 27, обеспечивая отрицательный знак выходного сигнала операционного усилителя 32, узла И и устройства в целом, что

соответствует противоаоложному по сравнению с предыдущим случаем направлению вращения двигателя.

Таким образом, предложенное устройство для определения частоты

вращения двигателя постоянного

обеспечивает повышение точности определения этой частоты вращения при широком диапазоне изменения магнитного потока двигателя и в отличие от известного устройства может применяться как в электроприводах с двухзонным-регулированием, так и в электроприводах с реверсированием двигателя изменением знака магнитного потока, например в электроприводах подъемно-траспортных машин, экскаваторов, шахтных подъемных машин, прокатных станов.

Формула изобретения

45

1. Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока, содержащее датчики ЭДС и магнитного.потока двигателя, два

0 суммирующих усилителя, два диода и подключенный ко входу первого суммирующего усилителя источник постоянного напряжения, отличающееся тем, что, с целью

5 повышения точности определения частоты вращения двигателя, в него введены блок перемножения, два дополнительных диода и-узел формирования знака частоты вращения, а датчики ЭДЬ

0 и магнитного потока двигателя и второй суммирующий усилитель выполнены с инвертирующим и неинвертирующим выводами, причем выходы датчика магнитного потока двигателя через первый и второй диоды подключены ко

входу первого суммирукадегр усилителя, выход которого через блок перемножения, второй вход которого соединен с неинвертирующим выходом второго суммирующего усилителя, подключен к первому входу второго суммирующего усилителя, второй вхо которого через третий и четвертый диоды соединен с выходами датчика ЭДС двигателяf а выходы второго суммирующего усилителя подключены ко входам узла формирования знака частоты вращения, входы задания знак которого подключены к выходам датчиков ЭДС и магнитного потока двигателя .

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел формирования знака частоты вращения двигателя выполнен в виде блока перемножения, подключенного ко входам задания знака этого узла,двух дополнительных резисторов, четырех соединенных; попарно-встречно диодов, дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого .включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод, общие точки между которыми через третий и четвертый диоды соединены с выходом блока перемножения указанного узла,

3, Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел формирования знака частоты вращения выполнен в виде четырех логических элементов И-НЕ, двух дополнительных резисторов, шести диодов и включенного между выходом указанного узла иего входами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующим выходами второго суммирующего уси- лителя, дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого

иэ двух входов которого включены соединеннее; последовательно дополнительный .рез ис тор и диод, общая точка которых в цепи первого входа соединена через включенные вс.тречg но первому диоду третий и четвертый диоды Ь выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, общая точка между дополнительным резистором и диодом в цепи второго

O операционного усилителя соединена через включенные встречно второму диоду пятый и шестой диоды с выходами третьего и четвертого логических элементов И-НЕ, вход узла формирования знака частоты вращения, соединенный с неинвертирующим выходом датчика ЭДС двигателя, подключен ко входам первого и третьего логических элементов И-НЕ, вход fToro узла, соединенный с инвертирующим выходом датчика ЭДС двигателя, подключен ко входам второго и четвертого логических элементов И-НЕ, вход указанного узла, соединенный с неинвертирующим выходом датчика магнитного потока двигателя, подключен ко входам второго и третьего логических элементов И-НЕ, а вход этого узла, соединенный с инвертируихци.м выходом датчика магнитного потока двигателя, подключен ко входам первого и четвертого логических элементов И-НЕ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Гарнов В.К. и др. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии. М., Металлургия, 1971, с. 182.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2346342/07,

кл. Н 02 Р 5/00, 1976.

v3