Система регулирования частоты вращения

 

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1Ю ВП) А

4(51) 0 05 В 11/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

4 ;.

kl сОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ, К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф (21 ) 3656656/24-24 (22) 27.10.83 (46) 23.01.85-. Вюл. Р 3 (72) В.В.Омельченко, B.N.Ïîæèäàåâ, В.В.Шупрута, В.В.Путников, В.П.ТУрунтаев и Е.Н.Головенкин (53) 62-50 (088.8) (56) 1. Овчинников И.E. и Лебедев И.И.

Бесконтактные двигатели .постоянного тока. Л., "Наука", 1979, с. 130, рис. VI-I.

2. Авторское. свидетельство СССР

9 505996, кл. G 05 В 11/14, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 479082,кл. с 05 В 11/16,1973 (прототип). (54 ) (57 ) СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ, содержашая последовательно соединенные задатчик, первый сумматор, первый входной блок реверсора, реверсор, объект регулирования и датчик регулируемой величины и последователь но соеди не н ные второй сумматор и второй входной блок реверсора, выходом соеди ненный с вторым входом реверсора, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности системы, в ней установлены выпрямитель и инвертор, входом соединенный с выхбдом задатчика, а выходом — с первым входом второго сумматора, вторым входом соединенного с вторым входом первого сумматора и выходом И выпрямителя, входом соединенного с выходом датчика регулируемой величины..1136107

Изобретение относится к скоростным следящим системам, например к системам регулирования частоты вращения вала электродвигателя с установленной на нем нагрузкой.

Известна система регулирования 5 частоты вращения, содержащая последовательно соединенные задатчик-, блок управления, объект управления, (т.е. электродвигатель с нагрузкой на валу) и датчик регулируемой величины т.е. тахогенератор), выходом соединенный с вторым входом блока управления (1) .

Известна также система регулирования частоты вращения, содержащая последовательно соединенные задатчик, сумматор, первый входной блок реверсора, реверсор, исполнительный механизм, объект регулирования и дачтик регулируемой величины, выходом соединенный с вторым входом сумматора, выход которого через второй входной блок реверсора соединен с вторым входом реверсора (2) .

Недостатком таких систем является их низкая точность.

Из известных систем наиболее близ кой по технической сущности является система регулирования частоты вращения, содержащая последовательно соединенные задатчик, первый сумма- З0 тор, первый входной блок реверсора, реверсор, объект регулирования, датчик регулируемой величины, второй сумматор и второй входной блок ревер. сора, выходом соединенный с вторым 35 входом реверсора, второй вход первого сумматора подключен к выходу датчика регулируемой величины, второй вход второго сумматора подключен к выходу эадатчика (3 . 40

Недостатком известной системы является ее низкая точность.

Цель изобретения — повышение точс ности системы.

Поставленная цель достигается тем, что в систеМе регулирования частоты вращения, содержащей последовательно соединенные задатчик, первый. сумматор, первый входной блок реверсора, реверсор, объект регулирования и датчик регулируемой величины и последовательно соединенные второй сумматор и второй входной блок реверсора, выходом соединенный с вторым входом реверсора, дополнительно установлены выпрямитель и инвертор, входом соединенный с выходом эадатчика, а выходом — с первым входом второго сумматора, вторым входом соединенного с вторым входом первого суьалатора и выходом выпрями- ОО теля, входом соединенного с выходом датчика регулируемой величины.

На фиг.1 показана структурная. схема системы, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу системы при сину- у соидальном задающем сигнале; на фиг.3 — принципиальная электрическая схема системы.

Система содержит первый и второй сумматоры 1 и 2, инвертор 3, первый и второй входные блоки 4 и 5 реверсора, реверсор б, объект регулирования 7, датчик 8 регулируемой величины, выпрямитель 9, задатчик 10, резисторы 11-17, операционные усилители 18 и 19, резисторы 20 и 21,стабилитроны 22 и 23, резисторы 24-29, транзисторы 30 и 31, резисторы 3237, транзисторы 38 и 39, диодные мосты 40 и 41, обмотки трансформатора 42 и 43, трансформатор 44, транзисторы 45 и 46, диод 47, резистор 48, обмотки трансформатора 49 и .50, диоды 51 и 52, конденсатор 53, резистор 54, дроссели 55-58, ротор 59 датчика положения ротора бесконтактного двигателя постоянного тока 59, трансформаторы 60 и 61, транзисторы 62 и 63, диоды 64 и 65, диодные мосты 66 и 67, конденсаторы 68 и 69, резисторы 70-73, диоды 74-77, транзисторы 78-81, секции 82-85 якорной обмотки бесконтактного двигателя псстоянного тока, ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока, ротор 87 тахогенератора, обмотки 88 тахогенератора, резистор 89, источник 90 питания, диоды 91 — 96 0;— выходной сигнал i-го функционального блока.

Объектом 7 регулирования предлагаемой системы является бесконтактный двигатель постоянного тока с секциями 82-85 якорной обмотки, ротором 86 и нагрузкой (не показана), кинематически связанной с ротором 86

Первый и второй входные блоки 4 и 5 реверсора функционально выполняют роль преобразователей, согласующих выходы сумматоров 1 и 2 и входов реверсора б. В качестве входных блоков 4 и 5 реверсора могут быть использованы, например, усилители„

Реверсор 6 представляет собой импульсный блок, на выходе которого появляются импульсные сигналы, в то время когда выходные сигналы суюлаторов 1 и 2 положительны. Знак импульсного сигнала реверсора 6 определяется в зависимости от входа, на который подан положительный сигнал сумматора 1 или 2) . При подаче сигнала на первый вход реверсора б ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока вращается в одну сторону, а при подаче сигнала на второй вход реверсора б — в другую.

Техническую реализацию системы можно осуществить, например, с помощью двух операционных усилителей, входы которых через резисторы соответствующим образом соединены между

1) 36107 собой, а к выходам этих усилителей подключаются бесконтактные реле, ком. мутирующие, например включенные в противофазе, питающие обмотки индуктивности датчика положения ротора фазового типа.

На фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема, реализующая укаэанным образом структурную схему системы, изображенную на фиг.1, в которой в качестве объекта регулирования использован бесконтактный двигатель постоянного тока с индуктивным датчиком положения ротора фазового типа.

Функции первого и второго сумматоров 1 и 2 и инвертора 3 выполняют операционные усилители 18 и 19, на неинвертирующие входы которых через резисторы 89 и 13 поступает сигнал с выхода задатчика 10, а на инвертирующие — через резисторы 11 и 12 сигнал с выхода выпрямителя 9, пропорциональный частоте вращения ротора 86. Входы операционных усилителей 18 и 19 соединены межцу собой через резисторы 14 — 17. Резисторы 20 и 21 образуют местную отрицательную обратную связь в операционных усилителях 18 и 19. Напряжение питания с выхода источника 90 питания опе рационных усилителей 18 и 19 стабилизировано стабилитронами 22 и 23, образующими источник со средней точкой. Стабилитрон 22 питается напряжением выходных обмоток 49 и 50 высокочастотного генератора, т.е. генератора Роера, собранного на трансформаторе 44, транзисторах 45 и 46, диоде 47 и резисторе 48. Напряжение обмоток 49 и 50 выпрямлено диодами 51 и 52 и сглажено R -Фильтром, содержащим конденсатор 53 и резистор 54. Стабилитрон 23 питается от источника 90 питания постоянного тока через резистор 26. Выходы операционных усилителей 18 и 19 через ре- зисторы 24, 25, 27, 28 и 29 подсоединены к входам бесконтактных ключей, первый из которых собран на транзисторах 30 и 38 и резисторах 32, 33 и 36, а второй — на транзисто— рах-. 31 и 39 и резисторах 34, 35 и

37, Операционные усилители 18 и 19 и подключенные к их выходам соответственно первый и второй бесконтактные ключи выполняют функции первого и второго входных блоков 4 и 5 реверсора. Первый и второй бесконтактные ключи управляют работой диодных мостов 40 и 41 соответственно, к зажимам по переменному току которых подсоединены включенные в противофазе вторичные обмотки 42 и 43 трансформатора 44 генератора Роера. Диодные мосты 40 и 41 совместно с обмотками 42 и 43 выполняют функции реверсора б.

Обмотки 42 и 43 являются питающими обмотками индуктивного датчика положения ротора, содержащего чувствительные элементы — дроссели 55

58 насыщения, согласующие трансфор5 маторы 60 и 61 и два усилителя-демодулятора, один из которых состоит иэ транзистора 62, диода 64 и диодного моста 66, а другой — иэ транзистора 63, диода 65 и диодного моста 67.

)0 Дроссели 55 — 58 подключены к первичным обмоткам согласующих трансформаторов 60 и 61, вторичные обмотки которых подключены на входы указан.— ных усилителей-демодуляторов. Питание транзисторов 62 и 63 указанных усилителей-демодуляторов осуществляется через диодные мосты 66 и 67 от вторичных обмоток трансформатора 44 генератора Роера. Выходное напряжение датчика положения ротора с конденсаторов 68 и 69 через резисторы 70 — 73 подается на управляющие входы силовых транзисторных ключей, выполненных на транзисторах 78 — 81> через которые подключены к зажимам источника 90 питания секции 82 — 85 якорной обмотки бесконтактного двигателя постоянного тока. Диоды 74, 75, 67. и 77 служат для обеспечения протекания тока по управляющим цепям

З0 открытых силовых ключей и для создания запирающего смещения, на входах закрытых ключей.

Ротор 86 бескентактного двигателя постоянного тока выполнен в виде

35 постоянного магнита цилиндрической формы. На одном валу с ротором 86 бесконтактного двигателя постоянного тока расположены выполненные также в виде постоянных магнитов ро40 тор 59 датчика положения ротора и ротор 87 синхронного тахогенератора, выполняющего функцию датчика 8 регулируемой величины. Ротор синхронного тахогенератора выполнен в виде

45 "звездочки" с тремя парами полюсов.

Трехфазная обмотка 88 тахогенерато ра соединена звездой и подключена к выпрямителю 9, диоды 91 — 96 которого соединены по схеме лариьнова.

Выход выпрямителя 9 через резисто50 ры 11 и 12 подключен к инвертирующим входам операционных усилителей 18 и 19.

Согласно структурной схеме системы (фиг.1 выходной сигнал 0ю за55 датчика 10 поступает на первый вход первого сумматора 1 и через инвертор 3 — на первый вход второго сумматора 2. Сигналы lJ, и U< с выходов сумматоров 1 и 2 через входные

60 блоки 4 и 5 реверсора поступают соответственно на первый и второй входы реверсора б, выход которого соединен с входами объекта 7 регулирования, роль которого выполняет бес-.

65 контактный двигатель постоянного то1136107 ка с нагрузкой на налу, .частота вращения которого измеряется датчиком 8 регулируемой величины, роль которого выполняет тахогенератор, выходы которого через выпрямитель 9 соединены с вторыми входами. сумматоров 1 и 2. 5

Система (фиг.1) работает следующим образом.

При подаче с выхода захватчика 10 сигнала 0»р, например, положительной полярност входной блок 5 реверсора 10 запирается, а на выходе входного блока 4 реверсора появляется сигнал, который поступает на первый вход реверсора б. Так как коэффициент уси. ления прямого канала большой, то объект 7 регулирования начинает разгоняться по естественной характеристике. Сигнал, пропорциональный частоте нращения Объекта 7 регулирования, с выхода датчика 8 регулируе- О мой величины через выпрямитель 9 поступает на входы сумматоров 1 и 2 (сигнал U, фиг.1} . При достижении равенства задающего сигнала (J»o и сигнала обратной связи 1» сигнал на выходе выходного блока 4 ренерсора становится равным нулю,и реверсор б отключает объект 7 регулирования от сигнала управления U» (или U ). Скорость объекта 7 регулирования начинает снижаться. Сигнал U на выходе выпрямителя 9 уменьшается. Под действием сигнала управления U4 (или Ц объект 7 регулирования снова разгоняется. В установившемся движении система работает в автоколебательном 35 режиме. Частота автоколебаний и ширина зоны гистерезиса частоты вращения определяется порогом чувствительности входных блоков 4 и 5 реверсора и сумматоров I и 2, их коэф- 4() фициентами передачи и видом объек-. та 7 регулирования, т.е. нагрузкой на выходном валу системы. Уровень средней частоты вращения объекта 7 регулирования определяется величиной задающего сигнала П» . При смене знака задающего сигнала U, входной блок 4 реверсора запирается,а на выходе входного блока 5 резерсора появляется сигнал, поступающий на второй вход реверсора б, который подает сигнал управления Бб на Объект регулирования.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу системы при синусоидальном задающем сигнале.

На фиг.2 представлена диаграмма задающего сигнала U;, на фиг.2 диаграмма сигнала обратной связи U отстающего по Фазе от задающего сиг- 6О нала на угол t»J» на фиг.28"- диаграммы сигналов U» и U на выходах первого и второго сумматоров 1 и 2, при этом

"("»Р "4 > "1 »»J "9 ° 65 на фиг.2 представлена диаграмма управляющего сигнала на входе объекта 7 регулирования.

Управляющий сигнал tJ< подается на объект 7 регулирования н промежутки времени t»-ty и t> -t4, когда сигнаU» . H tJg положительны. TlpH в промежутке t» -t< объект 7 регулирования подключается для вращения в одногл направлении, а н промежутке С вЂ” в противоположном. Первая гармоника управляющего сигнала tJ (на фиг. 2 показана пунктиром ) опережает по фазе задающий сигнал на угол » что является положительным качеством предлагаемой системы, повышающим ее быстродействие. Указанное обстоятельство, а также отсутствие в цепи обратной связи системы релейных элементон, обладающих гистерезисом и вносящих. запаздывание, позволяет исключить корректирующие звенья, необходимые для устранения запаздывания, Схема (фиг.3) работает следующим образом.

При отсутствии задающего напряжения П»р на входе системы на выходе операционных усилителей 18 и 19 существует напряжение, запирающее оба бесконтактных ключа. Диодные мосты 40 и 41 заперты по постоянному току.

Датчик положения ротора отключен от питающих обмоток 42 и 43. Силовые транзисторные ключи 79 — 81 заперты.

Секции якорных обмоток 82 — 85 отключены от источника 90 питания, и ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока неподвижен.

При появлении задающего напряжения U»o например, полярности, указанной на фиг.3 беэ скобок, на выходе операционного усилителя 18 появляется положительное напряжение, открывающее первый бесконтактный ключ (транзисторы 33 и 38), а отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя .19 еще больше запирает второй бесконтактный ключ (транзисторы 31 и 39) . Диодный мост 40 от крывается. Чувствительные элементы— дроссели 55 — 58 датчика положения ротора подключаются к обмотке 42.

Напряжение датчика положения ротора коммутирует силовые ключи 78 — 8».

Секции 82 - 85 якорной обмотки бесконтактного двигателя постоянного тока пОочередно подключаются к источнику 90 питания, и ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока приходит во вращение.

На выходе выпрямителя 9, подключенного к трехфазной обмотке 88 тахогенератора, появляется напряжение, величина которого пропорциональна частоте вращения ротора 86 бесконтактного двигателя постоянного тока.

Это напряжение поступает на иннер1136107 тирующие входы операционных усилителей 18 и 19, создавая отрицательную обратную связь системы па частоте вращения. При определенном значении разности задающего напряжения и напряжения обратной связи первый 5 транзисторный ключ запирается, что приводит к отключению бескантактного двигателя постоянного тока ат источника 90 питания и переводу ега в режим торможения. В итоге устанавлива- )g ется автаколебательный режим работы бесконтактного двигателя постояннога тока. Параметры автоколебаний определяются нагрузкой на выходном валу бесконтактного двигателя по- 15 стаяннога тока, зоной гистерезиса бесконтактных ключей, порогом чувствительности и коэффициентом усиления операционных усилителей.

Уровень редней установившейся частоты вращения определяется величиной задающего напряжения U o.

При смене полярностй задающего напряжения U на выходе операцион!

О ного усилителя 18 появляется отрицательное напряжение, запирающее первый бесконтактный ключ. Диодный мост 40 запирается по постоянному току, отключая чувствительные элементы — драссели 55 — 58 датчика положения ротора от обмотки 42. На выходе операционного усилителя 19 появляется положительное напряжение, отпирающее второй бесконтактный ключ и подключенный к нему диодный мост 41.

Чувствительные элементы — дроссели 55 — 58 датчика положения ротора подключаются к обмотке 43; в результате чего фаза питания датчика положения ротора меняется на противоположную, очередность коммутации сила- 40 вых ключей (транзисторов) 78 — 81 изменяется, и происходит реверс бесконтактного двигателя постоянного тока.

Отсутствие в прямом канале систе- 45 мы специальных преобразующих устройств, имеющих зону нечувствительности, позволяет сделать вывод о повышении точности системы. Исключение указанных устройств из системы упрощает, кроме того, ее техническую реализацию. Повышению точности и упращению системы способствует также исключение из цепей обратной связи релейных элементов, имеющих зону гистерезиса и усложняющих настройку системы.

Применение указанной структурной схемы в позиционной следящей системе также позволит повысить точность ее рабОты, так как сигналом управления в таких системах является сигнал ошибки — угол рассогласования между входной и выходной осями. Снижение зоны нечувствительности прямого канала приводит к уменьшению ошибки рассогласования, Очевидно, что показателем точности работы следящей системы является диапазон регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя постоянного тока, так как минимальная частота вращения объекта регулирования определяется наименьшим задающим сигналом, который отрабатывает система.

Нри испытаниях макетного образца системы с серийным бесконтактным двигателем постоянного тока типа

ДБ50-10-4, имеющим номинальные мощность и частоту вращения соответственно 10 Вт и 4000 об/мин, минимальная частота вращения объекта регулирования составила около 6 об/мин при номинальном моменте, нагрузки на валу двигателя, равном 2,2 Н см.

При испытании системы, построенной по известной схеме с тем ее двигателем и при тех же условиях, минимальная частота вращения объекта регулирования составила примерно 21 об/мин.

Диапазон регулирования частоты составил в первом случае примерно 667, а В0 втором - примерно 190,5, т.е. примерно в три раза больше.

Таким образом, в предложенной сис. теме примерно в 3,5 раза повышается точность, так как исключены из прямого канала преобразующие устройства, имеющие зону нечувствительности, и из цепей коррекции исключены релейные элементы, обладающие зоной гисте. резиса. Исключение указанных элементов из системы, кроме того, упрощает ее техническую реализацию и настройку.

1136107

Составитель Ю.Гладков

Техред Т.Фанта Корректор С.Шекмар

Редактор P.Öèöèêà

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

Эакаэ 10284/34 Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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