Электропривод переменного тока

 

Использование: в станках, промышленных роботах Сущность: в электроприводе датчик 8 частоты вращения выполнен на формирователе 9 импульсов, интеграторах 10 и 13, детерминаторе 11 длительности импульсов и пороговом элементе 12. Обратная связь по частоте вращения формируется в замкнутом контуре слежения за величиной периода входного сигнала, поступающего на датчик 8 частоты вращения 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (я)5 Н 02 К 29/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

-. К А870РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (21) 4696635!07 (22) 25.05.89 (46) 23.08.92, Бал. М 31 (71) Украинский научно-исследовательский институт станков и инструментов .. (72) А.Б.Гудзенко, А.Н,Николенко, Н.А,Процерова и Е.А.Смотров (55) Авторское. свидетельство СССР

М 1277339, кл. Н 02 P 6/02, 1985.

Авторское свидетельство СССР

- М 1319221, кл. Н 02 К 29/06, 1987, Авторское свидетельство СССР йЬ 1163454, кл. Н 02 P 5/34, 1985.

„„5U ÄÄ1757041 А1

2 (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА (57) Использование; в станках; промышленнйх роботах. Сущность: в электроприводе датчик 8 частоты вращения выполнен на формирователе 9 импульсов, интеграторах

10 и 13, детерминаторе 11 длительности импульсов и пороговом элементе 12. Обратная связь по частоте вращения формируется в замкнутом контуре слежейия за величиной периода входного сигнала, поступа-. ющего на датчик 8 частоты вращения, 7 ил

1757041

20

30

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам переменноr0 тока, построенным на основе синхронных двигателей, и может быть использовано в электроприводах станков, промышленных роботов и т,п„где требует.ся надежность, точность и плавность регулирования.

Известен электропривод переменного тока, содержащий синхронный электродвигатель, на валу которого установлен синусно-косинусный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя, одним управляющим входом — с выходом первого блока управления, вторым управляющим Входом с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчика и датчика частоты вращения.

Генератор опорной частоты имеет второй выход, а синусно-косинусный вращающийся трансформатор — вторую входную обмотку, подключенную к второму выходу упомянутого генератора, выходная обмотка указанного вращающегося трансформатора соединена с входами первого блока управления и датчика частоты вращения. В известном электроприводе датчик частоты вращения снабжен двумя дополнительными выходами и выполнен в виде последовательно соединенных узла выделения модуля, компаратора, одновибратора и узла изменения знака, второй вход которого соединен через дифференцирующий узел с входом узла выделения модуля, а двухканальный регулятор частоты вращения выполнен в виде двух блоков умножения, к первым входам которых подключены компараторы.

Недостатками известного вентильного электропривода являются низкая стабильность и помехозащищенность вследствие наличия блоков дифференцирования и умножения, Известен также вентильный электропривод, содержащий синхронный электродвигатель и усилитель мощности со схемой управления (преобразователь), а также датчик частоты вращения, состоящий из коммутатора, блока управления коммутатором, источника опорного напряжения блока масштабных коэффициентов и блока формирования сигнала частоты вращения, Три входа датчика частоты вращения связаны с двумя выхбдами фазочувствительных выпрямителей схемы управления и выходами предварительного усилителя, Коммутатор воспроизводит значение угла поворота вала ротора от времени, "сшитое" из отдельных участков аппроксимированных кривых выходных напряжений фазочувуствительных выпрямителей. Блок формирования сигнала частоты вращения представляет собой модель вентильного электродвигателя, подстраиваемую по разности текущего значения угла (получаемого с выхода коммутатора) и его оценки, получаемой в модели. Выходным сигналом датчика частоты вращения на базе синусно-косинусного и вращающегося трансформатора в известном электроприводе является оценка в указанной модели, Недостатком известного устройства является его съемная сложность, сложность в настройке и, как следствие этого, низкая надежность. Кроме того, поскольку в кривой выходного напряжения коммутатора (зависимости напряжения, пропорционального углу от времени) имеют место разрывы, для исключения кратковременных провалов в кривой оценки частоты вращения, в качестве выходного сигнала датчика частоты вращения используется не непосредственно оценка, получаемая в модели вентильного электродвигателя. а выходной сигнал блока выборки-хранения, При нахождении вала двигателя в зоне разрыва функции напряже ния от угла во времени выходным сигналом датчика скорости является последнее значение оценки скорости (при вхождении в указанную зону). Таким образом, в указанном интервале не контролируется фактическая частота вращения вала двигателя. Этот недостаток ограничивает диапазон регулирования частоты вращения в известном электроприводе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электропривод переменного тока, содержащий синхронный электродвигател ь, на валу которого установлен сийусно-косинусный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхроннога электродвигателя, одним управляющйм входом — с выхОдом первого блока управления, вторым управляющим входом— с выходом регулятора частоты вращения входы которого подключены к выходам задатчика и датчика частоты вращения, последний из которых снабжен формирователем импульсов с одним входом и двумя выходами, вход которого образует

1757041 вход датчика частоты вращения, и йнтегратором со сбросом, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя импульсов, В известном электроприводе сигнал об ратной связи по частоте вращения формируется электронной схемой датчика частоты вращения путем переработки информации с выхода датчика положения ротора. Схема содержит сумматор, два перемножителя два фиксатора нулевого порядка и два интегратора со сбросом, управляемые формирователем импульсов. подключенным к генератору опорной частотьг, входящему в

10 состав преобразователя

Многократность преобразования сигнала и сложность схемы, обусловленная наличием аналоговых перемножйтелей определяют низкую надежность, огрэйичивают диапазон регулирования частотЫ вра20 щения и являются недостатком схемы, Цель изобретения — повышение надежности и расширение диапазона регулирования частоты вращения, а также упрощение

2S и повышение точностных показателей электроприводэ.

Злектропривод переменного тока содержит синхронный электродвигатель, на.— валу которого установлен синусно-косинус30 ный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя, одним управля -- 35 ющим входом — с выходом первого блока управления, вторым управляющим входом— с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчика и .датчика частоты вращения, по- 40 следний из которых снабжен формирователем импульсов с одним входом и двумя выходами, вход которого образует вход датчика частоты вращения, и интегра- тором со сбросом, управляющий вход кото- 45 рого соединен с одним выходом формирователя импульсов. Новым в предлагаемом электроприводе переменного тока является то, что генератор опорной частоты снабжен вторым выходом, а синус- 50 но-косинусный вращающийся трансформатор — второй входной обмоткой, подключенной к второму выходу упомянутого генератора, выходная обмотка указанного вращающегося трансформатора 55 соединена с входами первого блока управления и датчика частоты вращения. который дополнительно снабжен трехвходовым детерминатором длительности импульсов; первым и вторым входами подключенный к выходам формирователя импульсов, пороговым элементом и вторым интегратором, выход которого образует выход датчика частоты вращения и включенным между выходом упомянутого детерминатора и входом интегратора со сбросом, снабженного вторым входом для подачи напряжения смещения, выходом соединенного со входом порогового элемента, выход которого подключен к третьему входу детерминатора длительности импульсов.

На фиг, 1 представлена блок-схема предлагаемого электропривода переменного тока; на фиг. 2 — блок-схема формирователя импульсов; на фиг. 3 — блок-схема детерминатора импульсов; на фиг. 4-6 — элементы привода; на фиг, 7 — осциллограммы сигналов напряжения в точках схемы привода.

Злектропривод содержит синхронный электродвигатель 1, на валу которого установлен синусно-косинусный вращающийся трансформатор 2, входная обмотка которого подключена к выходу генератора 3 опорной частоты, преобразователь 4 частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя 1, одним управляющим входом— с выходом первого блока 5 управления, вторым управляющим входом — с выходом регулятора 6 частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчика

7 и датчика 8 частоты вращения, последний снабжен формирователем 9 импульсов с одним входом и двумя выходами, вход которого образует вход датчика 8 частоты вращения, и интегратором со сбросом 10, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя 9 импульсов.

Генератор 3 опорной частоты снабжен вторым выходом, а синусно-косинусный вращающийся трансформатор 2 — второй входной обмоткой, подключенной к второму выходу генератора 3 опорной частоты, Выходная обмотка синусно-косинусного вращающегося трансформатора 2 соединена с входами первого блока 5 управления и датчика 8 частоты вращения, который дополнительно снабжен - трехвходовым детерминатором 11 длительности импульсов, первым и в горым входами подключенным к выходам формирователя 9 импульсов, пороговым элементом 12 и вторым интегратором 13, выход которого образует выход датчика 8 частоты вращения и включенным между выходом трехвходового детерминатора 11 длительности импульсов и входом интегратора со сбросом 10, снабженного вторым входом для flîäà÷è напряжения смещения, выходом соединенного со входом порогового элемента 12, выход которого подключен к третьему входу трехвходового детерминатора длительности импульсов 11.

На фиг, 2 представлена блок-схема формирователя 9 импульсов, состоящего из последовательно соединенных нуль-компаратора 14, одновибратора 15, инвертора 16, одновибратора 17 и инверто- ра 18. Формирователь 9 содержит также элемент 19 задержки, вход которого подключен; выходу одновибратора 15, а выход к входу элемента 2И-НЕ. 20, к второму входу которого подключен выход второго одновибратора 17. Выходы инвертора 18 и элемента 20 являются соответственно первым и вторым выходами формирователя 9.

На фиг. 3 представлена блок-схема детерминатора 11 импульсов, содержащего инверторы 21-23, элементы ЗИ 24 и 25, R-Sтриггер 26 и операционный усилитель 27 с резисторами смещения 28 и входным 29, Первый вход детерминатора 11 подключен через инвертор 21 к первым входам элементов 24 и 25. Второй и третий входы детерминатора 11 связаны соответственно с входами инверторов 22 и 23 и с вторыми входами соответственно элементов 25 и 24.

Выходы инверторов 22 и 23 связаны соответственно с третьими входами элементов

24 и 25, выходы которых подключены соответственно к R u S-входам триггера 26, Выход триггера 26 связан с входным резистором 29 усилителя 27.

На фиг, 4 приведен пример выполнения одновибратора 15 (17), на фиг. 5 — интегратора 18, на фиг, 6 — интегратора со сбросом 10, Электропривод работает следующим образом.

При подаче на вход привода напряжения задания частоты вращения на вь1ходе преобразователя появляется напряжение, синхронный электродвигатель t приходит во -вращение и вращает датчик 2, Входные обмотки датчика 2 запитаны от двухфазного генератора 3 опорной частоты во. На выходной обмотке датчика 2 формируется синусоидальное напряжение

Uz =- А sly (A)pt . p(t)) (1) где р() — текущее значение угла поворота ротора датчика, знак которого зависит от направления вращения.

Выражение (1) можно представить в виде

Uz = А sin (м о . 2P и зр )t (2) где 2P — число пар полюсов датчика 2;

o)

Напряжение Uz поступает на вход преобразователя, где используется для формирования напряжения питания синхронного электродвигателя 2, и на вход формировате5 ля 9, Для иллюстрации работы ряда узлов электропривода на фиг, 7 приведены осциллограммы, Из синусоидального напряжения

Uz (фиг. 7а) нуль-компаратор 14 формирует прямоугольные колебания (фиг. 7б) с тем же

10 периодом. Задний фронт (переход с "+" на

"-") этих колебаний запускает одновибратор

15, на выходе которого формируется последовательность импульсов длительностью т1 (фиг. 7в), Указанные импульсы после ин15 вертирования инвертором 16 (фиг. 7г) запускают одновибратор 17, формирующий последовательность импульсов длительностью r z (фиг. 7д). Указанные импульсы после инвертирования инвертором 18

20 поступают на первый выход элемента 20 (фиг. 7е), На выходе элемента 20 формируется импульс длительностью т з = z1 + rz + Ar (фиг, 7ж), где Л т — запаздывание одновибратора 17 при запуске. Элемент задержки

25 19 затягивает передний фронт импульса (фиг. 7в) на указанную величину Лr. для исключения провалов в имйульсе (фиг. 7>к) (показаны пунктиром).

На первый вход интегратора со сбросом 10 (фиг. 6) поступает выходное напряжение интегратора 13 Uqa, на второй вход напряжение смещения 0, на управляю-. щий вход поступают импульсы с первого выхода формирователя 9. На выходе интегратора 10 формируется пилообразное напряжение (фиг, 7з), наклон которого пропорционален алгебраической сумме напряжений UcM + 1/д4в, а длительность опре деляется периодом импульса е, 40 включающего ключ разряда конденсатора интегратора 10.

На выходе порогового элемента 12 появляется последовательность импульсов (фиг, 7и), длительность которых при заданном (фиксированном) значении напряжения порога элемента 12 U«p зависит от алгебраической суммы U<>+ U@4>, а при постоянном значении Ur зависит только от Ода, Детерминатор 11, производит сравнение длитель50 ности импульсов Ж и И следующим образом:

Импульс е через инвертор 21 блокирует (обнуляет) элементы И 24 и 25, на входах триггера 26 "0" и триггер не меняет состоя55 ние на интервале существования импульса е. Этим обеспечивается синхронизация сравниваемых импульсов — начало о гсчета.

Длительность паузы г4 импульса Ж равна

9 1757041 10

74 =Т1 73 где Т вЂ” период выходного сигнала ДПР.

Так как Т м z 3 более чем в 100 раз, можно считать. что

4:-Т

Q4 +бар

Длительность паузы т 5 импульса И обратно пропорциональна указанной алгебраической сумме

1 .10 Г57

0см + 0Д4В

Детерминатор 11 производит сравнение интервалов T 4 и т 5 и выдает на выхо-: де релейный сигнал, полярность которого" зависит от того, какой из интервалов больше, Сравнение длительностей периодов.. указанных последовательностей (И и Ж) .. производит детерминатор 11 следующйм образом (фиг. 7). 20

Импульс е длительностью t z, сформированный одновибратором 17 в формирователе 9, обеспечивает сброс интегратора 10 и нулевые команды на R u S входах триггера.

26 (начало отсчета — нулевые начальные ус- 25 ловия). Триггер 21 находится в каком-то из состояний (О или 1), определяемым результатом сравнения в предыдущем такте, Допустим, на выходе 26 "1" (фиг. 7к, -30 начало диаграммы после импульса е), на вы-. ходе инвертора 27 — (минус U — отрицательное напряжение), Интегратор 13 начинает интегрировать положительное приращение выходного напряжения, Суммарное напря- 35 жение (Up4g + UgM) на входе интегратора 10. увеличивается, что приведет к увеличению наклона пилы на выходе 10 (фиг. 7з). Это. приведет к тому, что импульс (единичный . уровень) в последовательности И появится 40 раньше, чем в последовательности Ж. На входе элемента ЗИ 24 три единицы, на выходе "1", триггер 26 переключается в нулевое состояние. Появление "1" в последовательности Ж после последова- 45 тельности И уже не изменит состояние триггера 26, т.е. логический "0" с выхода инвертора 23 блокирует элемент ЗИ 25 до появления импульса е. Появление импульса е обнуляет оба элемента ЗИ вЂ” 24 и 25 и 50 начинается новый такт . Аналогична работа детерминатора 11 при появлении "1" в по-,. следовательности Ж раньше, чем в последовательности И.

Таким образом, если раньше приходит импульс (высокий уровень) в последовательности Ж, то триггер 26 перекидывается (либо остается) в единичное состояние и на выходе детерминатора 11 (выходе операционного усилителя 27) отрицательное напряжение, Если раньше приходит импульс в последовательности И, то на выходе детерминатора 11 положительное напряжение, Изменение скорости вращения вала двигателя приведет к изменению периода

Т1. Отслеживая длительность периода Ti. схема изменит напряжение Uq4> в соответствующую сторону на соответствующую величину, чтобы обеспечить равенство величин Т1 и Т5, чем обеспечивается ngoпорциональность величины частоте вращения вала двигателя, т.е.

И о Щ вр = (UcM « 0д4а) где К вЂ” коэффициент пропорЦиональности.

Амплитуда и частота пульсаций выходного напряжения зависит от частоты в р и постоянной времени интегратора 13. B экспериметальном образце частота пульсаций выходного сигнала Од4 составляла N p/4.

Устройство предлагаемого электроп ривода значительно прбще известного, не содержит аналоговых перемножителей и сумматора в тракте формирователя сигнала обратной связи по частоте вращения, как в прототипе, Температурная и временная погрешность указанных узлов нижают точностные показатели прототипа и ограничивают диапазон регулирования частоты вращения.

B предлагаемом устройстве сигнал обратной связи по частоте вращения формируется в замкнутом контуре слежения за величиной периода входного сигнала. Сравнение указанной величины с формируемой в устройстве осуществляется средствами цифровой (дискретной) техники, что существенно уменьшает влияние, помех, температурной нестабильности элементов, расширяет диапазон измеряемых частот вращения и соответственно, диапазон регулирования частоты Bращения электропривода. Упрощение устройства повышает надежность.

Формула изобретения

Электропривод переменного тока, содержащий синхронный электродвигатель, на валу которого установлен синусно-косинусный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазйыми выводами якорйой обмотки синхронного электродвигателя, одним управляющим входом — с выходом -первого блока управления, другим управляющим входом— с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам зэдатчи12 ка и датчика частоты Вращения, последний из которых снабжен формирователем им пульсов с Одним ВхОдом и двумя Выходами, вход которого образует вход датчика частоты вращения, и интегратором со сбросом, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя импульсов, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения и расширения диапазона регулирования частоты Вращения, генератор опорной частоты снабжен вторым выходом, э синусно косинусный Вращающийся трансформатор — Второй входной обмоткой, подключенной к второму выходу упомянутого генератора, выходная Обмотка указанного вращающегося трансформатора соединена с входами первого блока управления и датчика частоты Вращения, который дополнительно снабжен трехвходовым детерминатором длительности импульсов, 5 первым и вторым входами подключенным к выходам формирователя импульсов, пороговым элементом и вторым интегратором, выход которого образует выход датчика частоты вращения, включенным между выхо t0 дом упомянутого детерминатора и входом интегратора со сбросом, снабженного вторым входом для подачи напряжения смещения, выходом соединенного с входом порогового элемента, выход которого под15 ключен к третьему входу детерминатора длительности импульсов.

1757041

1757041

Составитель T,Äåðãà÷åâà

Редактор Н.Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор M.Òêà÷

Заказ 3096 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретенйям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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