Устройство для управления скоростью вращения электродвигателя постоянного тока

 

С целью повышения точности управления в устройство введены задающий генератор, реверсивный счетчик, блок управления, два компаратора, блок уставок, сумматор по модулю два, фильтр низкой частоты, эмиттерный повторитель и цифроаналоговый преобразователь. Блок управления содержит первый и второй делители импульсов, входы которых являются первым и вторым входами блока, распределитель импульсов, два формирователя импульс-импульс, RS-триггер, два ключа, элемент ИЛИ, элемент ИЛИ - НЕ и формирователь короткого импульса.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

Л0 156459О (51)5 В 05 В 19/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3862374/24-24 (22) 04.03.85 (46) 15,05.90, Бюл, 1Ф 18 (71) Новополоцкий политехнический институт им, Ленинского комсомола Белоруссии (72) В.Д,Сибирцев и А.С.Вершинин (53) 62-52 (088.8) (56) Ланцов А.Л. и др. Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных ьякросхемах. М,: Радио и связь, 1983, с. 272.

Гутников В,С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.

Л,: Энергия, 1980, с, 348.

Петросян К.А,, Атоян P.Â. Специальные схемы цифровых устройств, Библиотека по автоматике, вып. 57, И,: Энергия, 1979. с. 67, Авторское свидетельство СССР

Ф 898580, кл. Н 02 Р 5/06, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N 615532, кл, С 11 В 15/46, 1977. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

СКОРОСТЫО ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее источник . питания, подключенный выходом к входу исполнительного блока, соединенному с датчиком скорости вращения, выход которого соединен с входом частотного дискриминатора, операционный усилитель с тремя резисторами, выход операционного усилителя подключен к управляющему входу исполнительного блока, аттенюатор подключен к источнику питания, выход частотного дискриьынатора через первый резистор соединен с инвертирующ м входом операционного усилителя, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления, введены задающий гене2 ратор, реверсивьый счетчик, блок yI1равления, два компарагора, блок уставок, сумматор по модулю два, фильтр низкой частоты, эм ттерньй повторитель и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первыми входами компараторов и через второй резистор — с инвертируыю лм входом операционного усилителя, задающий генератор соединен с первым входом бло" ка управления и первым входом сумматора по модулю два, вторые входы блока управления и сумматора по модулю два соединены между собой и с выходом датчика скорости, первый и второй вы-. ходы блока управления соединены с первым и вторым вхсдаьи реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, вход блока уставок подключен к выходу источ ыка питания, выходы блока уставок соединены с вторыми входаI ми перв о го и второ го к омпар ат оров соответственно, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвер- . тым входами блока управления, выход сумматора по модулю два через последовательно соединенные фильтр низкой частоты, эмиттерньй повторитель и третий резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход аттенюатора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя.

2. Устройство по,п. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок управления содержит первый и второй делители импульсов, входы которых являются первым и вторым входами блока, распределитель импульсов, два формирователя импульс-импульс, BS-триггер, два клю1564590 вым входом элемента ИЛИ, выход второго формирователя импульс-импульс соединен с Г>-входом RS-триггера и с вторым входом элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ НЕ, первый и второй vxoды которого подключены к выходам первого и второго ключей соответственно, первые входы которых являются третьим и четвертым входами блока соответственно, прямой выход триггера соединен с вторым входом первого ключа, а инверсный выход подключен к второму входу второго ключа и является вторым выходом блока.

Блок 9 управления имеет входы 1720, выходы 21 и 22, и содержит первый 23 и второй 24 делители импуль сов, распределитель 25 импульсов, первый 26 и второй 27 формирователи импульс — импульс, RS-триггер 28, первый 29 и второй 30 ключи, элемент

ИЛИ 31, элемент HJIN-HE 32, формирователь 33 короткого импульса. ча, элемент ИЛИ, элемент ИЛИ-НЕ и формирователь короткого импульса, выход которого является первым выходом блока, а вход подключен к выходу эле- 5 мента ИЗИ, выходы первого и,второго делителей импульсов соединены с первыми входами соответственно первого и второго формирователей импульс — импульс, вторые входы которых соединены с первым и вторым входами распределителя импульсов соответственно, вход которого покдлючен к входу первого делителя импульсов, выход первого формирователя. импульс-импульс соединен с R-входом RS-триггера и перИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано . в автоматизированных системах к которым предъявляются требования высокой точности поддержания скорости. 25

Целью изобретения является повышение точности управления, На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для управления ско- . ростью вращения электродвигателя; на фиг. 2 — структурная схема блока управления; на фиг, 3 — принципиальная схема формирователя импульс-импульс; на фиг, 4 — принципиальная схема фор,мирователя короткого импульса.

Устройство содержит исполнительный блок l с электродвигателем 1 и усилителем мощности 1, операционный усилитель 2 с резистораьы 2 -2д, дискрими- 0 натор 3, датчик 4 скорости, аттенюатор

5, источник 6 питания, блок 7 уставок, задающий генератор 8, блок 9 управления, реверсивный счетчик 10, цифроаналоговый преобразователь 11, пер- 45 вью 12 и второй 13 компараторы, сумматор 14 по модулю два, фильтр 15 низкой частоты и эмиттерный повторитель !6, Каждый из формирователей импульсимпульс 26 и 27 содержит два D-триггера 34 и 35 и элемент ИЛИ-НЕ 36.

Формирователь 33 короткого импульса содержит три логических инвертора

37-39 и элемент И-HE 40, Формирователи 26 и 27 (1) импульсимпульс, также, как и формирователь

33 (2, 3) короткого импульса, являются известными элементами импульсной техники.

Датчик 4 скорости и частотный дискриминатор 3 замыкают основной контур авторегулирования скорости вращения электродвигателя 1 . Датчик 4 скорости, задающий генератор 8, блок 9 управления, реверсивжлй счетчик 10 и цифроаналоговый преобразователь 11 . образует корректирующий контур, а датчик 4 скорости, задающий генератор 8, сумматор 14 по модули два, фильтр 15 низкой частоты и эмиттерный повторитель 16 — второй корректирующий контур обратной связи, При этом первый корректирующий контур имеет местную обратную связь через компараторы 12 и 13, иа входы которых подаются постоянные напряжения с блока 7 уставок.

Устройство работает следующим образомм,.

При включении источника 6 питания на выходе операционного усилителя 2 устанавливается максимальное напряжение и начинается разгон электродвигателя 1, так как на неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подается постоянное напряжение от аттеню15645 атора 5, а на инвертирующем входе устанавливается пою»женное .напряжение вследствие низкой частоты следования импульсов датчика 4 скорости

5 и соответствующего действия корректи. рующих контуров обратной связи, В основном контуре регулирования на выходе частотного дискриминатора

3 от каждого прямоугольного импульса датчика 4 скорости формируется импульс с экспоненциально расту»»дм и убывающим фронтаья, В результате сравнения этих импульсов напряжений, поступающих через резистор 2, на ин- 15 вертирующий вход операционного усилителя 2, с напряжением, поступающим с выхода аттенюатора 5 на неинвертирующий вход операционного усилителя 2, последний вырабатывает напряжение для управления электродвигателем 1

1 в котором имеет место фаза разгона (когда электродвигатель 11 подключен к источнику 6 питания) и фаза динамического торможения (когда электродвигатель 1 отключен от источника 6 питания), Такое широтно-импульсное управление позволяет более динамично и эффектив-. но управлять электродвигателем 11.

ЗС

В первом корректирующем контуре блок 9 управления сравнивает часто" ту следования импульсов датыка 4 скорости с частотой следования импульсов задающего генератора 8 и формиру-: 35 ет счетные импульсы для реверсивного счетчика 10 и сигнал направления счета, импульсы задающего генератора 8 уменьшают содержимое реверсивного счетчика 10, а импульсы датчика ско- 40 рости 4 — увеличивают„Во время разгона электродвигателя 1„частота импульсов дат п»ка 4 скорости меньше частоты импульсов задающего генератора 8, поэтому произвольное число, за- 45 писанное в реверсивный счетчик 10 в момент включения питания, уменьшается и соответственно уменьшается напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 11 до уровня, заданно-5Q го блоком 7 уставок с помощью компа" ратора нижнего уровня, при срабатывании которого в блоке 9 управления запрещается формирование вычитающих, импульсов и разрешается формирование только суммирующих импульсов для реверсивного счетчика 10. В результате счет останавливается и на выходе цифроаналогового преобразователя 11

90 6 удерживает я низкий уровень напряжения, задаваемый блоком 7 уставок, При достижении синхронной скорости вращения и превышении ее частота импульсов датчика 4 скорости становится больше частоты импульсов задающего генератора 8. В результате блок

9 управления формирует импульсы в направлении суммирования для реверсивного счетчика 10, При этом кбдовое состояние последнего растет и соответственно растет напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя Il которое через резистор 22 ввздействует на инвертирующий вход операционного усилителя 2. С увеличев"»ем напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя 2 в выходном сигнале последнего уменьшается фаза разгона и увеличивается фаза динамического торможения электродвигателя I . В результате при перерегулировании начинает возрастать тормозящее воздейст-.. вие на электродвигатель 1,, При сильном перерегулировании содержимое реверсивного счетчика 10 быстро растет, соответственно растет выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 11, На некотором уровне напряжения, задаваемого блоком 7 уставок; срабатывает компаратор 13 верхнего уровня и в блоке 9 управления запрещается формирование импульсов в направлении суммирования, Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 11 огра»ычивается на некотором (верхнем) уровне напряжения, Такое двухстороннее ограничение работы цифроаналогового преобразователя 11 вместе с реверсивным счетчиком 10 позволяет исключить возможное переполнение реверсивного счетчика

10 как в прямом, так и в обратном направлении, а следовательно, и воэможность формирования резкого скачка корректирующего напряжения, что повело бы к ухудшению переходного процесса, В результате усиливается затухание переходного процесса и сокращается его длительность, Таким обр аз ом, первый к оррек тирующий контур на стадии разгона также способствует раз гону электр одвиг ателя 1,, но гораздо в меньшей степени по сравнению с основным контуром упр авл е»п»я, Основной контур управления выводит электродвигатель 1, на подсинхронную

1564590

40 скорость и далее благодаря действию первого корректирующего контура электродвигатель 1, входит в синхронизм, При этом реверсивный счетчик 10 через блок 9 управления интегрирует разность частот импульсов от задающего генератора 8 и датчика 4 скорости и через цифроаналоговый преобразователь !

1 и резистор 2 выдает корректирую- 10 щее напряжение на инвертирующий вход операционного усилителя 2, При установлении синхронной скорости частоты следования импульсов датчика 4 скорости задающего генератора

Ф

8 равны, содержимое реверсивного счетчика 10 колеблется на единицу младшего разряда и тем самым на выходе цифроанало гового преобр аз ов ателя 11 поддерживается практически пос- 20 тоянное напряжение, Во втором корректирующем контуре управления во время разгона на выходе эмиттерного повторителя 15 устанавливается некоторое среднее напря- 25 жение, так как частота следования импульсов от задающего генератора 8 больше, чем от датчика 4 скорости, и сдвиг по фазе между ними непрерывно изменяется, 30

При достижении синхронной скорости устанавливается постоянная разность фаз импульсов датчика 4 скорости и задающего генератора 8 и соответствующее значение напРяжения на

I выходе эмиттерного повторителя 16, которое явля етея корректирующим и че-. рез резистор 2 воздействует на ин3 вертирующий вход операционного усилителя 2, При изменении указанной разности фаз соответственно изменяется скважность импульсов на выходе сумматора

14 по модулю два и далее через фильтр

15 низкой частогы величина среднего 45 напряжения на выходе эмиттерного повторителя 16, Если в синхронном режиме разность фаэ рассматриваемых частотных последовательностей Равна нулю (импульсы совпадают по фазе) ) то 50 на выходе эмиттерного повторителя 16 получим минимальное корректирующее напряжение, Если разность фаз рассматриваемых частотных последовательностей Равна 6(импульсы противополож- 55 ны по фазе), то получим максимальное корректирующее напряжение, Номинальная разность фаэ равна 71/2, и уменьшение этой разности фаз вызывает разгоияющее корректирующее воздействие, а увеличение — соответственно тормозящее воздействие.на электродвигатель

1,, Таким образом, второй корректирующий контур отрабатывает разность фаэ сравниваемых импульсных последователь" ностей и тем самым стабилизирует мгно" венную скорость вращения электродви"

Описанные процессы в коррекрирующих контурах протекают одновременно, обеспечивая быстрый разгон электродвигателя 1, и вход его в синхронизм, При этом величина напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 определяет начальные условия работы системы автоподстройки, Величину этого напряжения задаваемого аттенюатором 5, необходимо выбирать так, чтобы посредством основного контура регулирования получить скорость вращения электродвигателя 1 близок к син1 хронной, Это связано с тем, что коэффициентыы передачи (усиления ) основного контура управления и корректирующих контуров резко различаются, а следовательно, при принудительном управлении скоростью вращения электродвигателя 1, необходимо синхронно изменять и величину выходного напряжения аттеыоатора 5, и частоту задающего генератора 8, что не совсем удобно, Поэтому предлагаемое устройство целесообразнее испольэовать для стабилизации скорости вращения электродвигателя

1, постоянного тока.

llo окончании разгона электродвигателя 1, при вращении с синхронной скоростью с помощью основного контура регулирования обеспечивается управление, при котором на каждый импульс дат чик а 4 ск ор ости вы раб атыв ает ся т акже импульсный управляющий сигнал, в состав которого входит фаза динамического торможеж я, что,способствует улучшению динамики управления, так как в результате возникающего в процессе работы дрейфа элементов основного контура регулирования скорость вращения электродвигателя 1 медленно уходит.

С помощью первого корректирующего контура обратной связи отслеживается и ликвидируется разность частот задающего генератора 8 и датчика 4 скорости, чем обеспечивается достижение и постоянство средней синхронной скорости, в результате компенсируется

)О логический сигнап), на первый и второй входы которого подаются импульсы от формирователей 26 и 27. Эти импульсы проходят через схему ИЛИ 31 и с помощью формирователя 33, работающему по спаду импульса, преобразуются в импульсы, поступающие на счетный вход реверсивного счетчика 10 через выход

22 блока, При этом направление счета задается логическим сигналом с инверсного выхода R-триггера 28 через выход

2) блока.

При разгоне электродвигателя 1, когда один из компараторов 12 и 13 вырабатывает запрещающий уровень напряжения (нулевой логический сигнал), элемент ИЛИ-НЕ 32 также вырабатывает запрещающий сигнал (единичный логичес" кий сигнал) для элемента ИЛИ 31 таким образом, что при сигнале компаратора

l2 нижнего уровня в реверсивный счетчик )0 проходят импульсы прямого сче-1 та, а при сигнале компаратора )3 верхнего уровня — соответственно импульсы обратного счета, Предлагаемое устройство для управления скоростью вращения электродвигателя постоянного тока обладает высокой точностью стабилизации мгновенной скорости вращения, широкой полосой захвата и малой длительностью переходного процесса. В устройстве за счет действия корректирующих контуров, в которых корректирующее напряжение формируется цифроййм способом, компенсируется возжкающее влияние дрейфа элементов по основному аналоговому контуру управления, В прототипе скорость вращения электродъигателя по этой причине медленно уходит.

Предлагаемое устройство обладает более совершенными техническими характеристиками и может быть использовано . ° в различных Областях техники, где требуется высокая точность стабилизации мгновенной скорости вращения, например, в приборостроении в цифровых измерителях угла, в радиотехнике в звукоз аписи, звуковоспроизведении и др.

9 156459 влияние дрейфа элементов основного контура регулирования.

С помощью второго корректрирующего контура обратной связи обеспечивается постоянство мгновенной скорости вращения тем, что формируемое сумматором 14 по модулю два, фильтром 15 низкой частоты и эмиттерным повторителем 16 напряжение противодействует изменению сдвига фаз,между импульсами задающего генератора 8 и датчика

4 скорости, поддерживая этот сдвиг постоянным.

Блок 9 управления работает следующим образом.

Распределитель 25 импульсов вырабатывает две последовательности несовпацаюпгих импульсов, каждая из которых подается на вторые входы формировате- 20 лей импульс-импульс 26 и 37, на первые входы которых подаются импульсы с выходов делителей 23 и 24 импульсов.

Таким образом, импульсы постоянной частоты задающего генератора 8, пос- 25 тупающие на вход )7 блока, после их прохождения через делитель 23 импульсов и формирователь 26 никогда не сов- падают по времени с импульсами изменяюидхся при разгоне электродвигателя ! частоты датчика 4 скорости после их прохождения по входу 18 блока через делитель 24 импульсов и формирователь

27, чем исключается неопределенность состояния &Б-триггера 28 при возможном совпадении во времени сравниваемых импульсов.

При синхронной скорости RS-триггер 28 синхронно переключается в единичное и нулевое состояния, открывая один н эак40 рывая другой из ключей 29 и 30 при разрешающих. уровнях на их первых входах, соединенные через входы 19 и 20 блока с выходами компараторов 12 и .1 3, Под разрешающим уровнем В даннОм случае следует пони 45 мать единичный логический уровень напряжения. В результате обеспечивается инвЕрсное состояние входов элемента ИЛИ-НЕ 32 и на третьем входе элемента ИЗЫ 3) появляется разрешающий уровень (нулевой

1564590

1564590

Корректор В. Кабаций

Заказ 1159

Тирам 670

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Редактор Е. Копча

Составитель А.Исправникова

Техред М. Ходанич