Устройство для стабилизации частоты вращения электродвигателя

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, первый дискриминатор, сумматор и Формирователь управляющего сигнала, подключенный к электродвигателю, второй дис.криминатор , один вход которого подключей к генератору импульсов, а выход 1 связан с вторым входом сумматора, две цепи, каждая из которых состоит из. последовательно соединенных таходатчика и импульсного усилителя, вых .оды усилителей подключены к вторым входам первогои второго дискриминаторов соответственно, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения , в него дополнительно введены .фильтр высших частот, инвертор и блок задержки, включенный между выходом импульсного усилителя и вторым входом второго дискриминатора, выход которого через последовательно соединенные фильтр высших частот и инвертор подключен к второму входу сум-§ матора. (Л Миагр СЛ О5 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1051678 A

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ,ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPb(THA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р,Ф, J. .Ц, ° ° /

1 (21) 3418015/24-07 (22) 07.04.82 (46) 30.10.83. Бюл. Р 40 (72) Ю.Н. Сумачев (53) 621.316..718.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР.

Ю 720648, кл. Н 02 Р 5/00, 1979.

2. Танский Е.A. Прецизионные системы стабилизации скорости двигателей. Л., Энергия, 1975, с. 54- 65. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ

ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, первый дискриминатор, сумматор и формирователь управляющего сигнала, подключен- ный к электродвигателю, второй дискриминатор, один вход которого подклюI чен к генератору импульсов, а выход связан с вторым входом сумматора, две цепи, каждая иэ которых состоит из последовательно сс)единенных таходатчика и импульсного усилителя, выходы усилителей подключены к вторым входам первого и второго дискриминаторов соответственно, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения, в него дополнительно введены фильтр высших частот, инвертор и блок задержки, включенный между выходом импульсного усилителя и вторым входом второго дискриминатора, выход которого через последовательно соединенные фильтр высших частот и инвертор подключен к второму входу сум-

C ма тора .

1051 G78

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прецизионных приводах с электродвигателями.

К электродвигателям, используемым и прецизионных системах автоматического регулирования, в приборах записи, воспроизведения и передачи информации, в оптикомеханических системах и в электромеханических устройствах радиоэлектронной аппаратуры, в нас- 30 тоящее время предъявляются высокие требования по стабильности частоты вращения ротора при изменении момента нагрузки, напряжения питания, температуры и других дестабилизирующих 5 факторов. Устройства для стабилизации частоты нращения электродвигателей должны обеспечивать высокую точность стабилизации средней и мгновенной частот вращения электродвигателей, обладать высоким быстродействием и надежностью и характеризоваться простотой конструкции.

Известно устройство для стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока, содержащее им2 пульсный генератор опорной частоты, импульсный тахогенератор (таходатчик), дискретнофазовый регулятор, состоящий из двух каналов — частотного и фазового, усилитель, элементы И и

НЕ и ключ динамического торможения El 3.

Недостатком известного устройства является погрешность стабилизации мгновенной частоты вращения двигателя, вызванная влиянием неточности изготовления модулятора импульсного таходатчика, Погрешность изготовления таходатчика, например непостоянство шага 40 между модуляционными метками, а также эксцентриситет и биение модулятора, принодит к нарушению пропорциональности между частотой вращения электродвигателя и частотой сигнала на 45 выходе таходатчика, т.е. приводит к так называемой частотной погрешности таходатчика, которая содержит ложную информацию как о частоте так и о фазе вращения двигателя, а устройство для стабилизации отрабатывает ее как статическую ошибку,увеличивая неравномерность вращения.

Точное изготовление таходатчика, имеющего минимальную частотную погрешность ныходного напряжения, связано с техническими трудностями и значительной стоимостью.

Наиболее близким к предлагаемому является устройстно для стабилизации частоты вращения электродвигате- 60 ля, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, дискриминатор, сумматор и формирователь управляющего сигнала, подключенный

I к электродвигателю, второй дискрими-, g5 натор, один вход которого подключен к генератору импульсов, а выход связан с вторым входом сумматора, две цепи, каждая иэ которых состоит из последовательно соединенных таходатчика и импульсного усилителя, выходы усилителей подключены к вторым входам первого и второго дискриминатьров соответственно. Каждый из таходатчиков представляет собой источник излучения, оптическую .систему, фотоприемник и расположенный между ними модулятор в виде светонепроницаемого диска с множеством прорезей — модуляционных меток. Таходатчики размещены один отнЬсительно другого со сдвигом на 1.80 в направлении вращения общего для обоих таходатчиков модулятора, жестко закрепленного на оси днигателя. Формирователь управляющего сигнала н предлагаемом устройстве сОдержит последовательно соединенные корректирующий четырехполюсник, усилитель постоянного тока, фазовращатель, к импульсному входу которого подключен с выхода генератора делитель частоты, второй делитель частоты с коэффициентом деления 2 и усилитель мощности..

Опорные импульсы от генератора импульсов подаются на входы дискриминаторов, на другие входы которых с выходов таходатчиков поступают им пульсы, усиленные и сформированные усилителями. Сигналы, снимаемые с выходов дискриминаторов и пропорциональные фазовому сдвигу между опорны. ми импульсами и импульсами таходатчиков, складываются сумматором и поступают далее на формирователь управляющего сигнала, который оказывает воздействие на фазу напряжения питания двигателя.

Эксцентриситет модулятора таходатчикон при вращении двигателя приводит к изменениям радиуса средней линии модуляционных меток и их линейной скорости относительно таходатчиков и, как следствие, изменяется мгноненная частота следования импульсов на выходах таходатчиков. При этом в диаметрально противоположных точках модулятора эти изменения взаимно пропорциональны и имеют противоположный знак. Расположенйе днух таходатчиков через 180 и сложение их сигналов на выходах дискриминаторов компенсирует противофаэные погрешности частоты их импульсов, обусловленные влиянием эксцентриситета модулятора, что в итоге обеспечивает равномерность вращения двигателя

I при несколько сниженных требованиях . к точности изготовления модулятора .(23.

Недостатком является то, что уст- ройство характеризуется сложностью изгот6вления, обусловленной высоки1051678 ми требованиями к постоянству величи. ны шага модуляционных меток модулятора таходатчика из-эа отрицательного влияния непостоянства шага меток на равномерность частоты, вращения двигателя.

Цель изобретения — упрощение устройства для стабилизации частоты вращения электродвигателя.

Поставленная цель достигается, тем, что в устройство для стабилиза 10 ции частоты вращения электродвигателя, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, пер-, вый дискриминатор, сумматор и формирователь управляющего. сигнала, под- )5 ключенный к электродвигателю, второй дискриминатор, один вход которого подключен К генератору импульсов, а выход связан с вторым входом сумматора, две цепи, каждая из которых 20 состоит из последовательно соединен-. ных таходатчика и импульсного усилителя, выходы усилителей подключены к вторЫм входам первого и второго дискриминаторов соответственно, дополнительно введены фильтр высших частот, инвертор и блок задержки, включенный между выходом импульсного усилителя и вторым входом второго дискриминатора, выход которого через последовательно соединенные фильтр, высших частот и инвертор подключен. к второму входу сумматора.

На фиг.l изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — конструктивная схема разме- 35 щения таходатчиков в устройстве при использовании датчиков фотоэлектрического типау на фиг.3 — временная .диаграмма, поясняющая работу устройства при изменении частоты вращения 40 двигателя; на фиг,4 — временная диаграмма, поясняющая работу устройства при непостоянстве шага модуляционных меток модулятора таходатчиков . 45

Устройство для стабилизации час тоты вращения электродвигателя 1 содержит последовательно соединен-. ные генератор 2 импульсов, дискрими-. натор 3, например, частотно-фазовый, сумматор 4 и формирователь 5 управ.— ляющего сигнала, подключенный к электродвигателю 1, две цепи, одна из которых состоит из последовательно соединенных таходатчика 6 и импульс j ного усилителя 7, а вторая — иэ та-:, ходатчика 8 и импульсного усилителя

9, дискриминатор 10, один вход кото-. рого подключен к генератору 2 им-:пульсов . кроме того, устройство со- 60 держит блок 11 задержки, включенный-. между выходом импульсного усилителя

7 и вторым входом дискриминатора 10 выход которого через последоэателЬно, соединенные фильтр 12 высших частот А5 и инвертор 13 подключен к второму входу сумматора 4.

В устройстве могут использоваться таходатчики различного типа та- кие, например, как индукционные, индуктивные, емкостные или фотоэлектрические, которые генерируют на выходе переменное или импульсное напряжение с частотой модуляции соответственно магнитного, электромагнитного, электрического или светового потока. Общий для обоих таходатчиков модулятор жестко соединен с вращающимся валом (ротором) электродвигателя, при этом угловой шаг модуляции несколькб больше угла размещения датчиков ° B качестве примера на фиг.2 показано размещение фотоэлектрических таходатчиков. Таходатчики б и 8 содержат последовательно установленные источник 14 излучения лучистой энергии, оптическую систе-. му 15, модулятор 16 и дэа фотоприемника 17 и 18, размещенных рядом со сдвигом .один относительно другого.в направлении вращения модулятора 16 °

Модулятор 16 выполнен э виде светонепроницаемого диска со шелевыми отверстиями, шаг между которыми несколько больше шагового расстояния между фотоприемниками 17 и 18. Выход фотоприемника 17, первого в направлении вращения модулятора, соответствует выходу таходатчика б, а выход Фотоприемника 18 — выходу таходатчика 8.

УСтрОйстэо работает следующим образом.

При включении устройства с выхода импульсного генератора 2 поступают импульсы напряжения (фиг.2,а) на ! входы дискриминаторов 3 и 10 на выI ходе которых возникают постоянные напряжения. Выходное напряжение дискриминатора 3 обеспечивает через сумматор 4 и формирователь 5 управляющего сигнала подачу напряжения питания на двигатель 1 и его разгон.

Постоянную составляющую и низшие частоты выходного напряжения дискриминатора 10 фильтр 12 не пропускает на вход инвертора 13 и далее на второй вход сумматора 4, поэтому его выходное напряжение равно напряжению на первом входе. При вращении двигателя 1 поочередно через одно и то же отверстие модулятора 16 освещаются источником 14 фотоприемники 17 и

18, на эыходах которых возникают импульсы напряжения с частотой следования, райной частоте модуляции светового потока. Выездные напряжения таходатчиков 6 и 8 усиливаются и формируются э импульсы с крутыми фронтами усилителями 7 и 9 соответ-, сТВеННо .(фиг.3 б). Последовательности этих импульсов сдвинуты одна относительно другой на время Фз, рав1051678 ное времени прохождения модуляцион1 ного отверстия между таходатчиками, расстояние между которыми постоянно.

При постоянной частоте вращения двигателя 1 совместно с модулятором 16 это время постоянно и изменяется обратно пропорционально изменению частоты вращения двигателя. Усиленные импульсы таходатчика 6 — первого в . направлении вращения модулятора 16 поступают на вход блока 11 задержки 10 импульсов с временем задержки, равным времени поворота модулятора 16 на угол между таходатчиками 6 и 8 с номинальной (заданной) угловой скоростью, и далее — на второй вход 5 дискриминатора 10.

Усиленные импульсы (фиг,З й) таходатчика 8 — второго в направлении вращения модулятора 16 поступают на второй вход дискриминатора 3. На выходах дискриминаторов 3 и 10 возни.кают напряжения, равные максимальным положительным значениям при отсутствии или при следовании импульсов от таходатчиков с частотой, меньшей частоты следования импульсов от генератора 2, равные нулю при следовании импульсов от таходатчиков с частотой, большей частоты импульсов генератора 2, и равные значениям,которые в виде ступенчатого сигнала изменяются от нуля до максимума и определяются фаэовым сдвигом импульсов таходатчиков и генератора. 2 при совпадении частот их следования, т.е. в установившемся режиме. Номи- . 35 нальная частота .вращения электродвигателя в установившемся режиме определяется частотой следования импульсов генератора 2 и поддерживается ,постоянной, компенсируя изменение 4О возмущающих воздействий изменением установившегося значения фазового угла между импульсами генератора 2 и таходатчика 8.

При воздействии внешних факторов, 45 например, при увеличении момента нагрузки М„д „ электродвигателя 1 или при уменьшении напряжения его питания, уменьшается частота вращения электродвигателя 1 и соответственно 50 увеличивается фазовый угол между последовательностями импульсов генератора 2 (фиг. Ç,а) и таходатчиков

6 и 8 (фиг. З,в) . Увеличение фазового угла. между опорными импульсами генератора 2 (фиг. З,а) и импульсами от таходатчика 8 (фиг. З,в) вызывает увеличение выходного напряжения дискриминатора 3 (фиг. Ç,г) . Им. пульсы от таходатчика 6 (фиг. З,б) сдвигаются на постоянную величину 60 времени блоком 11 задержки импульсов (фиг. З,д) для обеспечения временного совпадения напряжений в сумматоре 4. Фазовому углу между опорными импульсами (фиг. Ç,а) и за держанными импульсами соответствует выходное напряжение дискриминатора

10 (фиг. 3, е). Кроме того, при уменьшении частоты вращения происходит относительное увеличение фаэового угла между последовательностями импульсов от таходатчиков 6 и 8 и, соответственно, возникает различие в значениях выходных напряжений дискриминаторов 3 и 10. При увеличении фазового сдвига между опорными импульсами и импульсами от таходатчиков 6 и 8 напряжение на выходе дискриминатора 3 становится больше, чем напряжение на выходе дискриминатора

10 на величину, соответствующую относительному увеличению фазового сдвига между импульсами таходатчиков

6 и 8. Выходное напряжение дискриминатора 3 (фиг. 3, г) поступает на

° один из входов сумматора 4, а выходное напряжение дискриминатора 10 на вход фирьтра 12 высших частот, в качестве которого в простейшем случае может использоваться конденсатор. Фильтр 12 высших частот пропускает только переменную составляющую напряжения, задерживая постоянную составляющую и медленные изменения напряжения. Целесообразно, чтобы частота среза фильтра 12 высших частот равнялась или была выше частоты вращения двигателя, но находилась ниже частоты модуляции (дискретизация). Тогда переменному напряжению (фиг. З,ж) на выходе фильтра 12 соответствует изменение частоты вращения двигателя 1 за время менее одного оборота или изменение частоты модуляции, обусловленное эксцентриситетом, биением или непостоянством шага модулятора 16. Аналоговый инвертор 13, представляющий собой инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления, например эмиттерный повторитель, изменяет на

180,фазу переменного напряжения на выходе фильтра 12. Выходное напряжение инвертора 13 (фиг.З, э) поступает на другой вход сумматора 4, который складывает это напряжение с выходным . напряжением дискриминатора 3. Выходное напряжение сумматора 4 (фиг.Ç,и) содержит постоянную составляющую, соответствующую фазовому углу между опорными импульсами генератора 2 и импульсами от таходатчика 8, и переменную составляющую, соответствующую только изменению фазового угла между импульсами от таходатчиков 6 и 8, что имеет место при изменении частоты вращения двигателя, т.е. при отклонении фактического времени прохождения каждой модуляционной меткой модулятора 16 между чувствительными элементами (фотоприемниками 17 и 18) таходатчиков 6 и 8 от постоянного значения времени задержки, которое

1051678 от таходатчика. б (фиг. 4,л), усиленные усилителем 7 и задержанные блоком 11.задержки на время, равное времени поворота модулятора с номинальной частотой вращения на угол между таходатчиками 6 и 8, поступают на вход дискриминатора 10 (фиг. 4,о) одновременно" с усиленными усилите лем 9 импульсами от таходатчика 8 (фиг. 4, м), поступающими на вход дискриминатора 3. В этом случае паразитные изменения выходных напряжений дискриминаторов 3 и 10 (фиг .4,н, п), обусловленные синхронными частотными погрешностями таходатчиков, также являются синфазными и равными по величине. Выходное напряжение (фиг. 4,п) дискриминатора 10 поступает на фильтр 12 высших частот, который пропускает только переменную составляющую напряжения, задерживая постоянную составляющую и медленные изменения напряжения. Переменному напряжению (фиг. 4, р) на выходе фильтра 12 высших частот, поступающему далее после инвертора 13,на сумматор 4, соответствует при равномерном вращении двигателя только паразитное изменение частоты модуляции, обусловленное неточностью изготовления модулятора 16, таких как неравномерность шага, эксцентриситет и биение. На один вход сумматора 4 поступают сигналы от дискриминатора 3 (фиг. 4, н), содержащие как постоянную составляющую, обусловленную установившимся фазовым углом между импульсами генератора 2 и таходатчика

8, так и переменную составляющую, обусловленную частотной погрешностью таходатчика 8. Одновременно на другой вход сумматора 4 поступают сигналы с выхода инвертора 13 (фиг.4,с), содержащие только переменную сбставляющую, обусловленную, частотной погрешностью таходатчика б. Переменные составляющие выходных напряжения дискриминатора 3 и инвертора 13 равны между собой и поступают на входы сумматора 4 в противофазе, поэтому на выходе сумматора 4 (фиг, 4, т) имеет место только постоянная составляющая напряжения, т.е; частотные погрешности таходатчиков б и 8 компенсируются, паразитные изменения управляющего сигнала отсутствуют и, как следствие, сохраняется равномерной

)частота вращения двигателя 1. обеспечивается блоком 11 з адерж- . ! ки.

Г

В итоге, при увеличении фазового угла между импульсами от таходатчи.ков б и 8 и генератора 2 выходное напряжение сумматора 4 (фиг.З,и) увеличивается, с помощью формирователя 5 увеличиваются напряжение или частота питания электродвигателя 1 и, как следствие, увеличивается частота его вращения, стремясь к номинальному значению.

При уменьшении момента нагрузки электродвигателя 1 или при увеличении напряжения его питания, привецшем к увеличению частоты его враще- 15 ния, происходит обратный процесс.

Таким образом, замкнутый контур регулирования путем изменения напряжения или какого-либо другого. управляющего воздействия на электродвига- Я) тель поддерживает стабильной среднюю частоту его вращения при воэдей. ствии внешних факторов по сигналу ошибки, зависящему от сдвига по фазе между импульсами генератора опор- 25 ной частоты и таходатчика.

Рассмотрим работу устройства при непостоянстве шага модуляционных меток модулятора на примере использования таходатчиков фотоэлектрического типа, показанного на фиг.2.

Оптическая система.15 преобразует световой поток точечного источника

14, расположенного вблизи модулятора

16, в световой поток с мнимым центром излучения на оси вращения модулятора, обеспечивая для каждого фотоприемника одинаковые условия модуляции светового потока. В этом случае непостоянство углового шага между модуляционными метками (равно 40 как биение и эксцентриситет), не влияет на время прохождения одной и той же метки от одного таходатчи-. ка до другого, т.е. не влияют на время сдвига последовательностей им-, 45 пульсов на выходах таходатчиков даже при наличии частотных погрешностей самих таходатчиков 6 и 8. В установившемся режиме при равномерном вра-. щении двигателя 1, т.е. с постоянной 59 угловой скоростью и при совпадении частоты опорных импульсов генератора

,2 (фиг. 4, к) и импульсов от таходатчиков 6 и 8 (фиг.4, л, м), имеют место только паразитные синфазные .и у одинаковые смещения фазового угла между опорными импульсами и импульсами от каждого из таходатчиков 6 и 8, обусловленные их частотными по=

;."внешностями. С выхода усилителя 9 импульсы от таходатчика 8 йостуйают, :- на вход дискриминатора 3, на выходе которого формируется напряжение (фиг. 4,н), соответствующее фазовому: углу между опорными импульсами и импульсами от таходатчика 8. Импульсы,65

Точность компенсации частотных погрешностей таходатчиков повышается при снижении частоты среза фильтра ,12 высших частот, а скорость устрем ления к нулю ошибки рассогласования фактическай и номинальной частот вращения, которая возникает, например, в процессе изменения момента нагрузки электродвигателя, увеличи-10

1051678

Щиа. 2

Ьых

Ьы фиг. 4

Составитель М. Кряхтунова

Редактор Ю. Середа Техред Т.Фанта Корректор С. Патрушева.

Эаказ 8684/55 Тираж 687 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ю еается при повьиаении частоты среза фильтра 12 высших частот.

Таким образом, предлагаемое уст ройство путем изменения управляющего сигнала, подаваемого на электродвигатель, поддерживает стабильной частоту его вращения под.воздействием дестабилизирующих.факторов и при наличии частотных погрешностей таходатчиков, характеризуется высокой точностью стабилизации частоты

I вращения электродвигателя, но при более низких требованиях к точности изготовления модулятора.

Так как в этом устройстве на рав- номерность вращения электродвигателя не оказывает влияние неравномерность шага модуляционных меток, то для их нанесения не требуется уникальное прецизионное оборудование, поэтому устройство может изготавливаться в

10 условиях промышленного производства.