Устройство для стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике . Повышение быстродействия обеспечивается за счет введения в устройство датчиков ускорения 3 и тока 4, двух сумматоров 9 и 11, блока умножения 10. В результате функция переключения для управления через релейный элемент 12 двигателя 1 формируется с учетом параметров двигателя 1, что повышает быстродействие устройства в переходных процессах . 3 ил.о (g (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1У БЛИН (59 4 Н 02 P 5 06

f с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTQPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3745699/24-07 (22) 30. 05.84 (46) 15. 10.86. Бюл. У 38 (71) Омский политехнический институт (72) В.Н. Зажирко, А.И. Сутормин, В.Л. Федоров, Д.Г. Ходько и Б.М.Ямановский (53) 621.316.718 .5(088..8) (56) Зажирко В.Н., Федоров В.Л. Расчет параметров периодического режима в релейной системе. — В кн.: Исследование электрооборудования„желез.нодорожного транспорта. Омск: Омский институт инженеров железнодорожного транспорта, 1981, с.9-14.

Каспржак Г,М., Уткин В.И.,Грехов В.П. и др. Принципы построения и исспедование маломощных приводов постоянного тока с релейным управлением в скользящем режиме.-Изв.ВУЗов

СССР. Электромеханика, 1982, Ф 12, с.1452-1458.

„„SU„,, 1264284 А 1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ

ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике. Повышение быстродействия .обеспечивается за счет введения в устройство датчиков ускорения 3 и тока 4, двух сумматоров 9 и 11, блока умножения 10. В результате функция переключения для управления через релейный элемент 12 двигателя 1 формируется с учетом параметров двигателя 1, что повышает быстродействие устройства в переходных процессах. 3 ил. где RU—

25.ЫМ—

Т—

ЗО

1 12

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано. при разработке регуляторов скорости электроприводов широкого применения, работающих в режиме стабилизации частоты вращения, при частых изменениях величины сигнала задания и при воздействии резкоизменяющегося момента нагрузки.

Целью изобретения является повышение быстродействия при сохранении апериодического вида переходного процесса в широком диапазоне частоты вращения и при отработке резкопеременной нагрузки.

На фиг.1 структурная схема устройства, на фиг„2 — блок формирования коэффициента Т ; на фиг.3— изображение переходного процесса на фазовой плоскости.

Устройство стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока (фиг.1) содержит двигатель 1 постоянного тока, представленный эк,вивалентной схемой, с валом которо го сочленен вал датчика 2 частоты вращения и вал датчика 3 ускорения. Последовательно с обмоткой двигателя

1 соединен датчик 4 тока, который может быть выполнен в виде низкоомного резистора. С датчика 4 тока снимается сигнал напряжения, пропорциональный току, протекающему по Обмотке двигателя 1. Выход датчика 2 частоты вращения нодаетоя на инверсный вход сумматора S Прямой вход сумматора

5 соединен с выходом блока 6 задания, которое может быть выполнено в виде источника постоянного напряжения с регулируемым уровнем выходного сигнала. Выход блока задания также подается на вход дифференцирующего звена

7 ° Выход сумматора 5 соединен с одним из входов блока 8 формирования коэффициента Т . С остальными входами блока 8 соединены выходы датчика 2 частоты вращения, датчика 3 ускорения и датчика 4 тока. Выход датчика 3 ускорения также подается на инверсный вход сумматора 9. С прямым входом сумматора 9 соединен выход дифференцирующего звена 7. Выходы сумматора 9 и блока 8 формирования коэффициента Т соединены с входами блока 10 умножения, выход которого подается на вход сумматора 11,с вторым входом которого соединен выход сумматора 5. Выход суммагора 11 сое64284 3 динен с входом релейного элемента

12, выход которого соединен с входом импульсного усилителя 13. мощности, формирующего на выходе разнополярные импульсы с амплитудой +U и -U. Выход импульсного усилителя 13 мощности соединен с обмоткой двигателя 1.

Блок формирования коэффициента. формируе коэффициент Т „равный !

О

R3 w+1ас )1)

2{С О+С М < К Ир ) активное сопротивление омотки двигателя, половина ширины петли гистерезиса релейного элемента, амплитуда выходного напряжения импульсного усилителя

МОЩНОСТИ индуктивность обмотки двига- теля, частота вращения; момент нагрузки, коэффициент при сигнале производной от ошибки по частоте вращения; а4)- ошибка по частоте вращения °

С вЂ” коэффициент пропорциональВ

HocTH между вращающим момен том и током двигателя, I - момент инерции, приведенный к валу двигателя.

Структурная схема блока формирования коэффициента Т приведена на. фиг.2. Выходы источника 14 постоян4О ного напряжения, уровень выходного ,напряжения которого пропорционален величине aE и блока 15 формирования абсолютного значения, вход которого соединен с выходом сумматора S под4> ключены к входам сумматора 16. Выход сумматора 16 соединен с входом усилителя 17, коэффициент усиления которого пропорционален произведению

RE. Выход усилителя 17"соединен с одним из входов блока 18 деления, к второму входу которого подключен выход сумматора 19. Входы сумматора

19 связаны с входами блока 20 формирования абсолютного значения, вход которого связан с выходом усилите«ля 21 имекщего коэффициент усиления, пропорциональный величине

2С, источника 22 постоянного напря1264284 4 жения уровень выходного напряжения которого пропорционален произведению 2С U, и блока 23 формирования абсолютного значения сигнала, пропорционального моменту нагрузки, вход которого связан с выходом уси- лителя 24, имеющего коэффициент усиления, пропорциональный величине 2R, Вход усилителя 24 соединен с выходом сумматора 25, прямой вход которого 10 соединен с выходом усилителя 26, имеющего коэффициент усиления, пропорциональный величине Се, вход которого соединен с выходом датчика 4 тока, инверсный вход сумматора

25 соединен с выходом усилителя 27, имеющего коэффициент усиления, пропорциональный величине I, вход которого связан с выходом датчика 3 ускорения, Вход усилителя 21 связан с выходом датчика 2 частоты вращения.

Выход блока,8 деления соединен с инверсным входом сумматора 28 и входом квадратора 19, а также с входом усилителя 30, имеющего коэффициент 2s усиления, пропорциональный 2L/R, Выхода квадратора 29 и усилителя 30 соединены с входами сумматора 31, выход которого подключен к входу блока 32 извлечения корня. Выход 3б блока 32 извлечения корня соединен с прямым входом сумматора 28. На выходе сумматора 28 формируется сигнал напряжения, пропорциональный величине коэффициента Тс . Выход сумматора 28 соединен с одним из выходов блока 10 умножения, к второму входу которого подключен выход сумматора 9, формирующего сигнал производной ошибки по частоте вращениял,3.40

Сигнал напряжения, пропорциональный моменту нагрузки, формируется на выходе сумматора 25 с помощью усилителей 26 и 27, на входы которых подаются сигналы напряжения, пропорциональные току и ускорению вращения двигателя.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии сигнала задания на 50

° входе системы под действием-обратной связи по частоте .вращения и производной по частоте вращения на выходе релейного элемента 12 формируются разнополярные прямоугольные импульсы со скважностью 2. При этом значения сигналов напряжения на выходе датчиков частоты вращения 2, ускорения 3 тока 4 и на выходе сумматора

5 близки к нулю. В результате на выходе сумматоров 16 и 19 устанавливаются уровни напряжения, равные выходным значениям источников 14 и 22 постоянного напряжения, Сигнал на выходе блока 23, пропорциональный моменту нагрузки, равен нулю, г.е. на выходе блока 18 деления устанавливается уровень напряжения, равный отношению сигналов с выхода усилителя 17 и сумматора 19.

После прохождения сигнала с выхода блока 18 деления через квадратор 29 и усилитель 30 они складываются в сумматоре 31. Так как величина выходного сигнала напряжения усилителя 30 на несколько порядков меньше входного сигнала, то можно считать, что на прямой и инверсный входы сумматора 28 поданы очень близкие по величине сигналы напряжения.

В результате на выходе сумматора

28 устанавливается уровень напряжения, близкий к нулю, величина которого пропорциональна значению коэффициента Т, . Следовательно, при отсутствии сигнала задания на входе системы, на выходе блока 10 умножения сигнал напряжения имеет значение, близкое к нулю. С выхода релейного элемента 12 через импульсный усилитель 13 мощности последовательность разнополярных импульсов со скважностью 2 с частотой скользящего режима подается на двигатель 1, Двигатель i обладающий фильтрующими свойствами, отрабатывает среднее значение напряжения за период питающего напряжения, величина которого в данном случае равна нулю. В результате вал двигателя 1 неподвижен.

При подаче с блока 6 задания сигнала напряжения, пропорционального заданной частоте вращения д через сумматоры 5 и 11 на вход релейного элемента 12, на его выходе устанавливается максимальное напряжение соответствующего знака. Это напряжение усиливается импульсным усилителем 13 мощности и подается в обмотку двигателя 1. Ток в обмотке двигателя

1 начинает возрастать, соответственно начинает расти напряжение на выходе датчика 4 тока. Увеличивается частота вращения двигателя 1, соответственно возрастает значение напряжения на выходе датчиков частоты враще5 1264 ния 2 и ускорения 3. В момент подачи сигнала задания величина ошибки по частоте вращения, пропорциональная сигналу на выходе сумматора 5, максимальна и равна с,) . После появления этого сигнала на входе блока 15. на выходе усилителя 17 устанавливается максимальное значение выходного напряжения. При увеличении напряжения на выходе датчиков ускорения 3 и тока 10

4 возрастает величина сигнала на выходе усилителя 24, пропорционального моменту нагрузки. При повышении частоты вращения увеличивается значение сигнала на выходе усилителя 21. В ре- 15 зультате увеличивается уровень напряжения на выходе сумматора 19. В момент подачи сигнала задания ошибка по частоте вращения резко увеличивается от нуля до<), в то время как 20 частота вращения двигателя 1 из-за наличия механической инерции двигателя увеличивается постепенно. Вследствие этого напряжение на выходе блока 18 деления сначала резко возрастает, а с ростом частоты вращения и уменьшения ошибки по частоте вращения начинает уменьшаться. При постоянном моменте нагрузки напряжение на выходе усилителей 26 и 27 3О начинает возрастать так, что разность этих сигналов, получаемая на выходе сумматора. 25, остается постоянной. Сигнал напряжения с выхода блока 18 деления усиливается усили- телем 30 и возводится в квадрат квадратором 29. Квадратный корень из суммы выходных сигналов квадратора

29 и усилителя 30 в момент подачи сигнала задания превышает по величи- щ не сигнал с выхода блока 18 деления.

В результате сравнения сигналов с выхода блока 32 извлечения корня и блока 18 деления разность, по-. лучаемая на выходе сумматора 28, 45 имеет максимальное значение в момент подачи сигнала задания ° При увеличеI нии частоты вращения и уменьшении ошибки по частоте вращечия уменьшается значение входной величины 50 для блоков 29 и 30. В результате уменьшается влияние второго слагаемого, получаемого на выходе усилителя 30, на численное значение напряжения на выходе блока 32 извлече- 55 ния корня, выполняющего операцию извлечения квадратного корня из суммы двух слагаемых, oiIlio из котовых (на

284 выходе усилителя 30) яа .два порядка меньше другого. Вследствие этого разность входных сигналов сумматора

28 после резкого увеличения, обусловленного подачей на вход системы сигнала задания, начинает уменьшаться, оставаясь все время положительной. Это изменяющееся напряжение, пропорциональное величине коэффициента Т поступает на вход блока 10 умножения. На второй вход блока ум ножения поступает сигнал напряжения, пропорциональный величине производной от ошибки по частоте вращения, который получается на выходе сумматора 9. На прямой вход сумматора 9 подается сигнал с дифференцирующего звена 7 и на инверсный — сигнал с датчика 3 ускорения.

Часто, в системе стабилизации частоты вращения величина сигнала задания изменяется от нуля до <дз яе мгновенно, а по линейному закону.

В этом случае на выходе дифференцирующего звена 7 удерживается уровень напряжения, пропорциональный производной от линейно нарастающего сигнала. Как только величина сигнала задания достигнет значения 4) выходной уровень напряжения дифференцирующего звена станет равным нулю.

Абсолютное значение выходного сигнала напряжения блока 10 умножения, величина которого пропорциональна произведению Т ж, >, начинает возрастать при увеличении частоты вращения, так как абсолютное значение напряжения на выходе сумматора

9 растет быстрее, чем уменьшается напряжение яа выходе блока 8 формирования коэффициента. В результате сложения положительного напряжения с .выхода сумматора 5 и отрицательного напряжения с выхода блока 10 умножения на выходе сумматора 11 формируется текущее значение функции переключения S-= 4)+Т h(d.

На этапе разгона двигателя (участок фазовой траектории.48 на фиг.3) . величина напряжения на входе релейного элемента 12 превышает величину -с6 при положительном направлении задания вращения. Релейный элемент устанавливается в устойчивое положение, поскольку соответствует выходное значение О, которое усиливается импульсным усилителем 13 мощности до величины +U. Это управляющее

1264284

1О

30 напряжение подается в обмотку двигателя 1. По мере приближения частоты вращения двигателя 1 к заданному значению <0, уменьшается значение сигнала ошибки по частоте вращения 5 а(1и еще больше уменьшается значение производной от ошибки по частоте вращения, умноженной на коэффициент

Т». Как только значение функции переключения на входе релейного элемента 12 достигнет величины е,,релейный элемент переключится в другое устойчивое положение,-которому соответствует управление -U. На фазовой плоскости этому моменту времени соответствует положение изображающей точки на пересечении фазовой траектории Ь и линии переключения S в точке Ь (фиг.3) . После этого изображающая точка "скользит" по участкам фазовых траекторий, соответствующих управлению +U и -U между линиями переключения S+ и S, При этом продолжает увеличиваться значение сигнала на выхоце датчика

2 частоты вращения и уменьшается значение напряжения на выходе сумматора 5, следовательно продолжает уменьшаться значение коэффициента

Т .,соответствующее напряжение которого формируется на выходе сумматора 28. Следовательно увеличивается наклон линий переключения S и S что ведет к сокращению времени переходного.процесса. 35

В это же время начинает увеличиваться напряжение на выходе сумматора 9, оставаясь все время отрицательной полярности, которое пропорционально производной от ошибки по час- 40 тоте вращения. Диапазон изменения значения напряжения на входе релейного элемента 12 уже незначительно превьппает ширину петли гистерезиса

23 . При этом релейный элемент пере- 45 ключается с частотой скользящего режима из одного устойчивого состояния в другое. После завершения переходного процесса скважность импульсов на выходе релейного элемента 12 со- 50 ответствует поддержанию заданной частоты вращения. При этом значение напряжения на выходе сумматора 28 близкое к нулю.

При резком увеличении момента нагрузки в установившемся режимеуменьшается частота вращения и соответственно увеличивается ошибка по частоте вращения и уменьшается величина углового ускорения, Возрастает значение сигнала на входе релейного элемента 12. Он устанавливается в устойчивое положение, которому соответствует управляющее напряжение +U. В результате начинает возрастать потребляемый ток двигателя 1. Увеличивается напряжение, пропорциональное моменту нагрузки, на выходе усилителя 24.

Увеличивается значение напряжения на выходе блока 18 деления и, соответственно, увеличивается выходное напряжение сумматора 28. Увеличивается положительное напряжение на выходе блока умножения. При этом с выхода импульсного усилителя мощности в обмотку двигателя подается положительное напряжение +U. На фазовой плоскости этому соответствует движение изображающей точки по фазовой траектории А,. В (фиг.З). При этом движении растет частота вращения, уменьшается ошибка по частоте, значение момента нагрузки остается постоянным и соответственно начинает уменьшаться величина коэффициента Т на выходе сумматора 26, Уменьшается входное значение сигнала релейного элемента 12 до значения -м . Релейный элемент 12 устанавливается в другое устойчивое положение и начинает переключаться с частотой скользящего режима. Изображающая точка движется по участкам фазовых траекторий, эаключенных между линиями переключения

S+ и S в направлении начала координат.

Таким образом, устройство дает возможность сформировать функцию переключения, обеспечивающую повышение быстродействия системы при сохранении апериодического вида переходного процесса в широком диапа-. зоне частот и при отработке резкопеременной нагрузки.

Формула изобретения

Устройство для стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока, содержащее блок задания частоты вращения, датчик частоты вращения, блок формирования коэффициента

Т, основной сумматор, дифференцирующее звено, релейный элемент и импульсный усилитель мощности, выход блока задания частоты вращения где Т20

9 12 подключен к входу дифференцирующего звена и прямому входу основного сумматора, к инверсному входу которого подключен выход датчика частоты вращения, выход релейного элемента подключен к входу импульсного усилителя мощности, выход которого подключен к обмртке двигателя постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия при сохранении апериодического вида переходного процесса в широком диапазоне регулирования частоты вращения и при отработке резкопеременной нагрузки, в него введены датчик ускорения, датчик тока двигателя, два дополнительных сумматора, блок умножения с двумя входами, блок формирования коэффициента Т выполнен с четырьмя входами, причем выходы дифференцирующего звена и датчика ускорения подключены соответственно к прямому и инверсному входам первого дополнительного сумматора, выход которого подключен к первому входу блока умножения, выход основного сумматора подключен к первому входу второго дополнительного сумматора и к одному из входов блока формирования коэффициента Т, к остальным входам которого подключены выходы датчика тока, датчика ускорения и датчика частоты вращения, выход блока формирования коэффициента Т подОМ 1Р РтЯ

64284 1й ключен к второму входу блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго дополнительного сумматора, выход которого соединен с входом релейного элемента, а блок формирования коэффициента формирует коэффициент Т, равный

Т,2(С U+ C (м) k И„1) коэффициент при сигнале производной от ошибки по частоте вращения; активное сопротивление обмотки двигателя, момент инерции, приведенный к валу двигателя, половина ширины петли гистерезиса релейного элемента, ошибка по частоте вращения, коэффициент пропорциональности между вращающим моментом и током двигателя, индуктивность обмотки двигателя; частота вращения, момент нагрузки„ амплитуда выходного напряжения импульсного усилителя мощности.

1264284 фиМ

Составитель Ю. Воробьев

РедактоР К. ВолощУк ТехРед Д.Сердзкова КоРРектоР Л.Пилипенко

Заказ 5570/54 Тирам 631 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4