Цифровой регулятор

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсннк

Соцнапнетнчесннк реснубпнн ((1}. 1004967 (61} Дополнительное к авт. свнд-ву

Ъ (22) Заявлено 14.08.81 (21} 3331235/18--24 (5l) M. Кл.

+ 05 В 11/26 с присоединением заявкн М

Гевудлретеенвй квмктет,СССР ю девам кзевретввкк н етврмтнй (23 } Приоритет

Опубликовано 15.03.83. Бюллетень № 10 (53) УДК 62-50. (088.8}

* Дата опубликования описания 17.03.83

П.М.Коваль, P. З.Милько, В. Ф.Оксютенко!и В.K:.Стеклов т," :9 *

1 (72} Авторы. . изобретения (7l } Заявитель

Ф ь „. j$

all (54). ЦИФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР

Изобретение относится к автоматичес.кому управлению и может быть применено в радиотехнических системах, приборостроении и станкостроении.. Известен цифровой регулятор скорости двигателя, содержащий блок задания и блок измерения скорости, подключенные к счетчику, младшие -декады которого

- через блок памяти подключены ко входу

10 цифр-аналогового преобразователя, выход которого подключен. к исполнительнаму двигателю. Кроые того, регулятор содержит мультивибраторы, ключи, тригр и леменм И нинего и ер пределов абсолютного диапазона регули рования, причем управтиттЬтцие входы элементов И подключены K выходам разрядов счетчика, а выходы через соответствующие триггеры — к одним из входов то ключей, другие входы которых соединены с выходом блока. измерения скоростей, а выходы через соответствуютцие мультивнбраторы - с входами установки: разря2 дов счетчика, соответствующими выбранному диапазону.

Применение в приведенном цифровом регуляторе дополнительных мультивибраторов, ключей, триггеров и элементов И нижнего и вернего пределов абсолютно тчт диапазона регулирования позволяет выбрать и поддерживать постояйным не» обходимый диапазон регулирования. Недозаполнение или перезаполнение счетчика импульсами генератора импульсов иэ-esca 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 соответственно в нижний или верхний предел. На выходе цт фро-аналого ваго преобразователя поддерживается минимальное или максимальное напряжение до тех пор, пока скорость двигателя не уменьшится или увеличится до величины, входящей в выбранный диапазон регули3 1бб4й ровслия. Это позволяет упростить. узел считывания, блок памяти и цифро-анало говый преобразователь.

В данном регуляторе измеряется длительность интервала, пропорционального скорости двигателя и поступающего с . двух регистрирующих устройств частот ного тахогенератора в виде двух импуль сов, задающих начало и конец интервала.

Измерение осуществляется посредством заполнения интервала импульсами эталонной частоты и подсчета их с помощью десятичного суммирующего счетчика $13.

Однако минимально возможная длитель ность периода следования запускающих импульсов определяется при максимальной скорости, так как составляющие перйода .следования, связанные с записью минимальной скорости и переносом этой информации в блок памяти, необходимы для четкой работы регулятора скорости.

В интервале, связанном с принудительной установкой мультивибратором счетчика в состояние, соответствующее нижнему пределу диапазона регулирования д прн наибольшем возможном отклонении скорости, информация о скорости в счетчик не поступает и не записывается в блок памяти, поэтому в этом интервале происходит потеря информации о скорости.з0

Данная составляющая периода следования импульсов частотного тахогеператора снижает точность измерения скорооти в регуляторе и точность работы всего регулятора. скорости двигателя, что

35 является его основным недостатком.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является цифровой регулятор, содержащий первый формирователь импульсов, первый выход которого

40 через последовательно соединенные блок задания скорости, первый счетчик импульсов, первый элемент И, первый переключатель и регистр подключен к первому входу блока. памяти, а второй выход че

45 рез последовательно 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 которого подсоединены соответственно ко второму входу блока памяти, через второй триггер - к ретьему входу первого переключателя и к первсму входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход - co вторым

67 4 входом первого триггера, второй элемент

И, выход которого соединен с четвертым. входом первого переключателя и с третьим входом 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 соединенные коммутатор и двигатель, связанный с датчиком скорости, выходы которого подключены ко входам соответствующих формироват лей импульсов.

В дан юм регуляторе s узле обратной связи применен импульсный датчик скорости, с двух регистрирующих устройств которого поступает информация в виде двух импульсов, задающих начало и конец интервала, пропорционального скорости.

Кроме того, в этом цифровом регуляторе уставка вводится в счетчик в виде числового 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 двио гателя 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 теля к сети изменяется от нуля до длительности периода коммутации."При этом действующее напряжение, подводимое к обмоткам двигателя, изменяется от нуля до полного напряжения питающей сети (2 J.

Данный известный регулятор характеризуется недостаточной точностью, вследствие наличия цифро-аналогового преобразователя и генератора опорного напряжения, нестабильность параметров которых значительна..

Цель изобретения - повышение 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, 67 6

5 10049 выходы которых подключены к соответствующим входам коммутатора, первые 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 делитель частоты - с выходом генератора импульсов, а третий вход - с выходом второго счетчика им 10 .пульсов и с первым входом второго переключателя, второй и третий входы которого подключены к выходам старшего разряда блока памяти, а вход второго счетчика импульсов соединен с выходом дели-15 теля частоты.

При этом число разрядов реверсивного счетчика импульсов и второго счетчика на единицу, меньше числа разрядов блока памяти. 20

В предложенном регуляторе вместо генератора опорного напряжения применен счетчик импульсов, получаемых от генератора импульсов через. делитель частоты, дающий стабильную опорную частоту. 25

Реверсивный счетчик импульсов в зависимости от знака и величины ошибки регулятора, записанной в цифровом виде в блоке памяти, переключаясь в прямом или обра ном направлении синхронно со 50 вторым счетчиком импульсами с делителя частоты, через переключатель формирует совместно со вторым счетчиком на выходе третьего или четвертого григгеров импульсы .регулируемой длительнос35 ти.

Этими импульсами через коммутатор осуществляется управление величиной и направлением мощности, подводимой к двигателю, который создает вращающий или тормозной момент для . увеличения или уменьшения скорости вращения. !

На чертеже приведена блок-схема предложенного цифрового регулятора.

Схема содержит первый формирователь

1 импульсов, блок 2 задания скорости, первый счетчик 3 импульсов, первый элемент И 4, первый переключатель 5, регистр 6, блок 7 памяти, первый триггер

8, ключ 9, генератор 10 импульсов, 50 второй формирователь 11 импульсов, второй триггер 12, элемент ИЛИ 13, второй элемент И 14, коммутатор 15, двигатель 16, датчик 17 скорости, делитель 18 частоты, реверсивный счетчик

19 импульсов, второй счетчик 20 импу. льсов, второй переключатель 21, третий и и четвертый триггеры 22 и 23.

Двигатель, в свою очередь, содержит индукторы 24 и подвижный элемент 25.

В регуляторе измеряется длительность интервала, пропорционального скорости двигателя и поступающего с двух регистрирующих устройств имп тьсного да чика 17 скорости в виде двух импуль сов, задающих начало и конец интервала.

Измерение 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, устанавливается не число высокочастотных импульсов генератора 10, приходящих в счетчик 3 за время работы от начала измеряемого интервала до нижнего ггредела диапазона регулирования, а дополнительное число, т.е. число, дополняющее 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 следующим 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 триггер 12 в исходное состояние.

Через время задержки, необходимое для установки счетчика 3, импульсом из первого формирователя 1 переключается первый триггер 8. При этом открывае ься ключ 9 и в счетчик 3 начинают поступать импульсы генератора 10. По заполнении счетчика 3 до полного объема срабатывает первый элемент И 4 и через алемент ИЛИ 13 переключает первый триггер 8. При атом закрывается ключ 9, который запрещает поступление импульсов с генератора 10 в счетчик 3.

Одновременно выходной импульс первого алемента И 4 открывает первый переипочатель 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 второй формирователь 11 импульсов. Импульс второго формирователя 11 через . второй триггер 12 закрывает первый переключатель 5 и прекращает поступление импульсов генератора 10 на управляющий з вход регистра 6. Через время задержки со второго формирователя 11 .импульсов поступает импульс переноса информации, которая заключена в регистре 6 в блок

7 памяти. 1О

Информация о знаке и величине ошибки, нахочящаяся в блоке 7 памяти преобразуется в длительность рабочего имнульса +p с периодом коммутации Тк следующим образом. 15

Если регистр 6, а следовательно, и блок памяти 7 имеют по Ь двоичных разрядов, то реверсивный счетчик 19 и второй счетчик 20 имеют по тт -1 двоичнь|х разрядов. Состояние старшего 20 разряда блока 7 памяти характеризует знак ошибки регулятора: состояние "0"ошибка отрицательная (действительная скорость выше заданной); состояние 1 ошибка положительная (действительная Н скорость ниже заданной).

Предположим, что ошибка регулятора отрицательная, т.е. действительная скорость двигателя выше заданной.

Следовательно, состояние старшего разряда блока 7 памяти 0", При этом реверсивный счетчик 19 устанавливается на прямой счет .

С выхода делителя частоты 18 на входы реверсивного счетчика 1 9 и второго счетчика 20 постоянно поступают импульсы и они синхронно переключаются.

При установке второго счетчика 20 в состояние "0 импульс с его выхода подается на вход предварительной записи 4О 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" (рабочее) третий триггер 22.

Этот момент времени принимается за начало периода коммутации Т и начало рабо е о HM m РТорй

Выходными импульсами делителя 18 частоты реверсивный счетчик 19 и второй счетчик 20 переключаются до полного заполнения реверсивного счетчика

$5

19. При этом импульс с выхода реверсивного счетчика 19 поступает на входы установки 0" третьего 22 и четвертого 23 триггеров и устанавливает их

М7 8 в состояние 0 . Ha выходе третьего триггера 22 сформировался рабочий импульс длительностью

При полном заполнении второго счетчика 20 и последующем переходе его в состояние "0" заканчивается формирование периода коммутации Т„.

Выходной импульс второго счетчика

20 при установке его в состояние 0 снова производит предварительную запись в реверсивном счетчике 19 информации, находящейся в данный момент времени в блоке 7 памяти и включает третий трит гер 22 в рабочее состояние, т.е. начинает новый цикл (начало цового периода коммутации Тк и нового рабочего импульcB tp торм) °

Сформированный рабочий импульс 1Р торит с выхода третьего триггера 22 поступает на соответствующий вход коммутатора 15, который подключает индукторы 24 K сети на время 1рторм

Индукторы 24 создают бегущее маг нитное поле определенного направления, . создавая тормозящий момент цля умень шения 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 рторм от. нуля цо1 ор = Тх, причем максимальной величйне отрицательной ошибки соответствует tp торм =

Тк, а нулевой ошибке tðòîðì = О.

Если ошибка регулятора йоложительная, т.е. действительная скорость двигателя ниже заданной, то состояние старшего разряда блока 7 памяти - "1 . При этом реверсюный счетчик 19 устанавливается на "обратный счет и второй переключатель 21 переключается на четвертый триггер 23. При установке второго счетчика 20 в состояние 0" 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 Тх и начало работы импульса 1р фр.

Выходными импульсами делителя 18 частоты реверсивный счетчик 1 9 и вто9 10049 рой счетчик 20 переключается до состоя иия 0 реверсивного счетчика 19. При этом импульс с выхода реверсивного счетчика 19 поступает на входы установки О» третьего 22 и четвертого 23 . триггера и устанавливает нх в состояние.

«О», На выходе четвертого триггера 23 сформировался рабочий импульс длитель ностью Ф+ вР ° о .При полном заполнении второго счетчика 20 и последующем переходе его в состояние 0 заканчивается формироsame периода коммутации Т и выходным его импульсом начинается новый gs цикл формирования 4Р @. в соответствии с с информацией о величине ошибки в блоке 7 памяти.

Сформированный рабочий импульс 1, Р ВР с выхода четвертого триггера 23 посту- 2О пает на соответствующий вход коммутатора 15, который подключает индукторы

24 к сети на время

Индукторы 24 создают бегущее маг нитное поле другого направления, созда- 25 вая вращающий момент для увеличения скорости вращения. При изменении величины положительной ошибки соответствен но изменяется длительность рабочего импульса рВР от 1уля до 4р ЕР = ТК* ЗЮ

РЬР где нулевой ошибке соответствует Ф

О, а максимальной по величине положительной ошибке Ф., вР = Тх.

Если скорость двигателя 16 выше верхнего предела установленного диапазо35 на регулирования, то импульс импульсного: датчика 17 скорости, задающего конец измеряемого интервала, поступает на вход второго формирователя 11 импульсов еще до полного заполнения счетчика 3.

Импульс второго формирователя 11 импульсов через элемент ИЛИ 1,3 и первый триггер 8 закрывает ключ 9 и прекращает поступление в счетчик 3 импуш сов генератора 10. Одновременно запре45 щающий импульс с формирователя 11 через второй триггер 12 блокирует первый переключатель 5 в закрытом состоянии, не допуская прохождения импульсов с генератора 10 на вход регистра 6. Через время задержки с формирователя ll no50 ступает ;мпульс переноса информации, которая заключена в регистре 6 в блок

7 памяти. А так как регистр 6 находится s исходном состоянии, то эта информация и будет перенесена в блок 7 памяти. Таким образом, в-блоке памяти 7 будет записываться информация исходного состояния регистра 6 независимо от

67 10 того, насколько скорость двигателя 16 выше верхнего предела установленного диапазона регулирования. И нформация, находящаяся в блоке 7 памяти, свидетельствует о том, что в данном случае. ошибка регулятора максимальная отрицательная, и регулятор работает аналогично описанному выше (случай отрицательной ошибки), за исключением того, что в каждом периоде Т длительность рабочего "мпульса р торм Т„. Индукторы

24 постоянно подключены к питающей сети таким образом, что создают макси». мальный тормозящий 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 -егистра 6 поступают импульсы генератора 10, переключая регистр 6 в соответствующее положение обычным способом.

Если скорость двигателя 16 ниже нижI него предела установленного диапазона регулирования, то импульс, поступающий с импульсного датчика 1 7 скорости, задающего начало измеряемого интервала, и сформированный в формирователе 1, переносит задание, записс.нное в блоке

2 задания скорости в счетчик 3, устанавливает регистр 6 в исходное состоя- ние 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 10в счетчик 3. Одновременно выходной импульс элемента И 4 открывает переключатель 5 и в регистр 6 начинают поступать импульсы генератора 10. По за- полнении регистра 6 до полного объема срабатывает второй элемент И 14, за-крывает 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

1004é

11 заполненного регистра 6 независимо or того, насколько скорость двигателя ниже установленного диапазона регулирования.

Информация, находящаяся в блоке 7 памяти, свидетельствует о том, что в данном S случае ошибка регулятора максимальная положительная, и регулятор работает аналогично описанному выше (случай положительной ошибки), за исключением того, что в каждом периоде Тк длительность рабочего импульса 1 ° вр Гк. Индукторы

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 преде»ла 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 переключате- ля 5 и выдачу разрешающего импульса на перенос информации с регистра 6 в блок памяти 7 осуществляет второй формирова->5 тель 11 обычным способом.

Точность и стабильность предложенного цифрового регулятора скорости асинхронного двигателя по сравнению с известным базовым увеличены примерно на ЗО

30-40%. В связи с полным отсутствием аналоговых элементов данный регулятор имеет по сравнению с известным более высокую надежность, более простую конструхцию, технологию изготовления и на- з стройки, более высокую степень унифика-. ции элементов регулятора. При этом уменьшается требуемая стабильность иоточников питания регулятора. Все это позволяет получить определенный технико-10 экономический эффект в случае ego при- менения.

Формула изобретения

Цифровой регулятор, содержащий первый формирователь импульсов, первый выход которого через последовательно соединенные блок задания скорости, первый счетчик импульсов, первый элемент

И, первый переключатель и регистр подключен к первому входу блока памяти, а второй выход через последовательно сое12 диненные 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 триггерк третьему входу первого переключатепя и к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход - с вторым входом первого триггера, второй элемент И, выход которого соединен с четвертым входом первого переключателя и с тре тьим входом блока памяти, а входы — с вторыми выходами регистра, второй вход 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, о т и и ч a ю шийся 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 вхо ды - 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 выходом второго счетчика импульсов и с первым входом второго переключателя, второй и третий входы которого подключены 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

_#_0 312235, кл..Q 05 В 11/06, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

No 849137, кл. Q 05 В 11/01, 1981 (прототип) .

1004007

Составитель С. Дунаев

Редактор М. Келемеш Техред С. Мигунова Корректор Е.Ронжо

Закаэ 1893160 Тираж 872 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4