Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов

 

Использование: в электротехнике, измерительной технике, в частности в системе управления электропривода. Сущность изобретения: цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов содержит формирователь управляющих сигналов, который выполняет функцию блока управления, управляемый генератор переменной частоты, реверсивный счетчик, блоки постоянного запоминания, цифроаналогоеые преобразователи , элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. управляемые источники опорного напряжения , блок коррекции амплитуды. Цель изобретения - уменьшение нелинейных искажений выходных сигналов - достигается за счёт использования результатов математического преобразования векторов из исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симметричную трехфазную систему, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 03 В 27/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ . ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 4846282/09 (22) 29.06.90 (46) 23.02,93. Бюль 7 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро прецизионного оборудования "Вектор" (72) Д.В.Сазанов и Ю,Н,Стулов (73) Д.B.Ñàçàíîâ (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1543534,кл. Н 03 В 27/ОО, 1987. (54) ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТРЕХФА3НЫХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (57) Использование: в электротехнике, измерительной технике, в частности в системе управления злектропривода. Сущность изобретения: цифровой генератор трехфазных

Изобретение относится к электротехнике, измерительной технике и может быть использовано в системе управления электропривода.

Известен цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, который содержит блок управления. генератор переменной частоты, .реверсивный счетчик, первый и второй блок постоянного запоминания, первый и второй цифроаналогЬвые преобразователи, первый, второй и третий сумматоры и управляемый источник опорного напряжения.

Этот генератор обеспечивает высокое качество синусоидальной формы сигнала в диапазоне от долей до сотен килогерц и ЫХ 1797732 А3 синусоидальных сигналов содержит формирователь управляющих сигналов, который выполняет функцию блока управления, управляемый генератор переменной частоты, реверсивный счетчик, блоки постоянного запоминания, цифроаналоговые преобразователи, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. управляемые источники опорного напряжения, блок коррекции амплитуды. Цель изобретения — уменьшение нелинейных искажений выходных. сигналов — достигается за счет использования результатов математического. преобразования векторов иэ исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симметричную трехфазную систему, 4 ил, 4 стабильность сдвига фаз выходного напряжения.

Однако-недостатком известного ген ера- 0 тора является отсутствие воэможности регу- 4 лировки фазы выходного напряжения. На 4 практике такая возможность требуется до- (д) вольно часто, например, в высокодинамич- 3 ных асинхронных электроприводах с векторной системой управления, где изменение момента, развиваемого асинхронным двигателем, производится за счет изменения угла между вектором потокосцепления ротора и обобщенным вектором тока статора. Пространственное положение этого вектора зависит от фазы выходного трехфазного напряжения преобразователя частоты, задаваемой фазой выходного на1797732 пряжения генератора трехфазных синусоидальных сигналов системы управления электропривода.

Известен цифровой генератор трехфаэных аинусоидальных сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор переменной частоты, вход управления которого соединен с первым выходом блока управления, реверсивный счетчик, первый блок IIocYoslHHofo запоминания, первый цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянного,запоминания, вход которого соединен с выходом реверсивногосчетчика, второй цифроаналоговый преобразователь и второй сумматор, а также третий сумматор. второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с входом управления реверсивного счетчика и входом управления первого управляемого источника опорного напряжения, вход которого соединен с sxoдами опорного напряжения nepsoro и второго цмфроанэлогоеых преобразователей и с другими входами первого и второго сумматоров. Первый инвертор, вход которого соединен с выходом вторОГО сумматора, четвертый сумматор и второй инвертор, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, последовательно соединенные третий цифроаналоговый преобразователь и пятый сумматор, выход которого соединен с первым входом шестоfo сумматора и другим входом четвертого сумматора, последовательно соединенные четвертый цифроаналоговый преобразователь и седьмой сумматор. выход которого соединен с вторым входом шестого сумматора, а также второй управляемый источник опорного напряжения, вход которого соединен с четвертым выходам блока управления.

Выход первого сумматоре соединен с третьим входом шестого сумматора, выход перво. го инвертора соединен с четвертым входом шестого сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматоре, выход первого блока постоянного запоминания сОединен с входом YpeYbefo цифроаналогового преобразователя, выход второго блока постоянного запоминания соединен с

ВХОДОМ ЧЕТВЕРтоГО цифроаналогового flP8 образоевтеля„выход второго управляемого источника опорногО напряжения соединен с входами ОпорнОГО нэпряжбния третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей и с другими входами пятого и седьмого сумматоров, а выходы второго инверторв и шестого сумматора является соответственно первым и вторым выходами цифрового генератора трвхфаэных синусоидвльных сигналов, Выход второго управляемого источника опорного напряжения соединен с входами опорного напряжения третьего и четвертого цифроаналоговых преобразова5 телей и с другими входами пятого и седьмого сумматоров через блок коррекции амплитуды, другой вход которого соедйнен с выходом первого управляемого источника

Опорного напряжения, 10 Этот генератор обеспечивает возможность плавной регулировки фазы выходного напряжения в широком диапазоне и стабилизацию амплитуды выходного напряжения при регулировке фзэы, 1б Однако недостатком известного fe epaтора являются повыш6нные нелинейныв ис кзжения формы выходного напряжения генераторе.

Повышенные нелинейные исквжемия

20 синусоидэльной формы выходного напряжения генератора обусловлены тем, что э блоках постоянного запоминания записывается информация о синусоидальных сигналах, имеющих постоянную составляющую, равную амплитуде синусоидзльнОГО сиГнзлэ Наличие зтбй составляющей приводит к тому, что изменению выходного напряжения оУ нуля щ амплитудного значения соответствует 2 комби30 наций (квантований амплитуды по уровню), где в — число выходов блоке постоянного запоминания, т.е. е 2 раза меньше, чем может быть обеспечено при более рациональном испольэоезнии разрядности выходного

Э кода блоков постоянного запоминания. уменьшение числа квантований выходного напряжения Генераторе по уровню приво дит к увеличению шегэ квантования, т.в, к уменьшению нелинейных искажений синусоидэльной формы этого напряжения.

Таким обрезом. целью предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейных искажений формы выходного напряжения генератора трехфазных синусоидальных сиГнэлов.

Поставленная цель достигается тем. что в генератор введен элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам (й1 -го и И-го старших разрядов И вЂ” разрядного выхода реверсивного счетчика, а выход которого подключен к входам старших разрядов первого и второго цифроаналоговых преобразователей, при этом выход третьего сумматора соединен с одним из входов первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с одним из входов третьего сумматора. входы старших разрядов третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей подключены к выходу И-ого

1797Т32

10 двухфазно-трехфазного преобразования переменных заключаются в следующем (3,4).

Синусоидально изменяющееся во времени напряжение изображается (3) на неподвиж15 ной комплексной плоскости + 1; +j в виде вращающегося вектораЧ i > аcM.фиг,2а).

Проекция этого вектора на ось+I равна Чн

-Чпсоза, проекция на ось + j равна Ч 1-Ч з! па; где Vm — модуль напряжения; а- со t

20 + ф- угол между вектором Ч и осью +l, отсчитываемый в направлении против движения часовой стрелки; в- угловая частота;ф — начальная фаза. За время, равное периоду изменения напряжения, вектор совершает на

25 комплексной плоскости+1; +J один оборот.

30 ем вектора напряжения, т.е. его проекция на ось У Vy=Vm, проекция на ось Х U> = О. При

Х- 0 изменение амплитуды Uy приводит лишь к изменениям амплитуды вектора

40 напряжения. Изменение составляющей

Ux npu Uy const приводит к изменению как амплитуды, так и положения результирующего., вектора напряжения на плоскости ХУ, а следовательно и его

"5 начальной аэы на плоскости+1; +), причем Vm= Ц„+О /г" arctg —.

0у разряда N-разрядного реверсивного счетчика, выход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов первого сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.

На фиг.1 изображена функциональная электрическая схема генератора; на фиг.2 и

3 — соответственно векторные диаграммы и эпюры напряжений, поясняющие работу генератора; на фиг.4- вариант практической реализации блока управления. . Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов содержит последовательно соединенные блок 1 управления, генератор 2 переменной частоты и реверсивный счетчик 3, вход управления направлением счета которого подключен к второму выходу блока 1 управления. К выходу реверсивного счетчика 3 подключены блоки 4 и 5 постоянного запоминания. К выходу блока

4 постоянного запоминания подключены последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь 6 и сумматор 7, а также цифроаналоговый преобразователь 8 и сумматор 9. К выходу блока 5 постоянного запоминания подключены последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь 10 и сумматор 11, а также цифроаналоговый преобразователь 12. Выходы старших разрядов N, N-1 реверсивного счетчика 3 соединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента исключающее ИЛИ 13, Первый вход логического элемента исключающее ИЛИ 13 соединен с входами старших разрядов цифроаналоговых преобразователей 10,12, а выход соединен с старшими разрядами цифроаналоговых преобразователей 6; 8.

Третий выход блока 1 управления соединен с входом управляемого источника 14 опорного напряжения; выход которого подключен к опорным входам цифроаналоговых преобразователей 6, 10 и вторым входам сумматоров 7, 11. Четвертый выход блока 1 управления соединен через управляемый источник 15 опорного напряжения с первым входом блока 16 коррекции амплитуды, второй вход которого подключен к выходу уп- 5 равляемого источника 14 опорного напряжения, а выход — к опорным входам цифроаналоговых преобразователей 8, 12, четвертому и второму входам сумматоров 7 и 9. соответственно. Третий вход сумматора 5

7 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 12. Выход сумматора 11 соединен с третьим входом сумматора 9, выход которого соединен с первым и пятым входами сумматоров 17 и 7 соответственно.

Выход сумматора 7 соединен со вторым входом сумматора 17. Выходы сумматоров 7, 9 и 17 являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.

Реализация предлагаемого генератора основана на использовании результатов математического преобразования векторов из исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симметричную трехфазную систему. Принципы

Если йринято ф= О, то в начальный моментгдт - 0 вектор будет направлен по оси

+1, Введем еще одну прямоугольную систему координат ХУ, вращающуюся в пространстве синхронно с вектором напряжения (см,фиг.2б), причем в момент времени в(= 0 направление оси У совпадает с направлениПолагая заданными составляющие Х иУ во вращающейся системе координат, соответствующие им значения в неподвижной системе координат+1;+) определяются следующими выражениями (4) (1) 0+1 =Uy COScut — О, Silat, (2) О+) =Uy Sincut+U,.Сныt.

1797732

При совмещении оси трехфазной системы с осью +1 неподвижной прямоугольной системы координат+ l: + J (3) Оа U+1; (4) Ов - О + J соз30 - U + 1 cos60

--(V+ 1 . cos60 - U+ J cos30 )--(— О+1

-. — О+))

V3

2 ! (5) Uc--U+1 соз60 -U+J cos30 =-(1/го+ /3/2 U+)).

Подставляя в 3 — 5 значения U+ 1 и U+ J из 1, 2 получаем расчетные выражения для напряжений Ua, Ue, Ос через проекции Ux, Оу вектора во вращающейся прямоугольной системе координат ХУ: (6) Ua" Uy case t - Ux slncut; (7) UB = -1/2 (Uy созм - Ux sincot) +

+Л/2(Ох cos an+ Uy sin cot); (8) Uc=-Л/2 -Uy cosал+Ох з1пм)-Л/2 (Ux cos се+ Uy sin м);

Уравнения 6-8 определяют тип блоков и значения коэффициентов передачи по входам сумматоров, необходимых при практической реализации выходной части цифрового генератора трехфаэных синусоидальных сигналов, осуществляющей двухфазно-трехфа зное преобразование сигналов Ux, Uy в сигналы Ua, Ов, Uc.

Цифровой генератор работает следующим образом.

На первом выходе блока 1 управления вырабатывается сигнал управления частотой генератора 2 переменной частоты, с выхода которого периодическая последовательность импульсов поступает на счетный вход реверсивного счетчика 3.

Сигнал управления направлением счета реверсивного счетчика 3 поступает с второго выхода блока 1 управления.

На третьем выходе блока 1 управления вырабатывается сигнал управления амплитудой выходного напряжения генератора, на четвертом выходе формируется сигнал управления фазой выходного напряжения генератора, В первом и втором блоках 4 и 5 постоянного запоминания записаны значения синусоидального сигнала таким образом, что периодическое изменение

Цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 3 приводит к изменению цифровых кодов на выходах первого и второго блоков

4 и 5 с одинаковыми периодами как показано на фиг.3а, фиг.Зб; Изменение направления счета реверсивного счетчика 3 (сигнал

5 реверс) приводит к изменению фазы сигналов на выходах первого и второго блоков 4 и 5 на 180 (момент времени ц на фиг.3), Сигналы на выходах старших разрядов N-1, N реверсивного счетчика 3 показаны на

10 фиг,Зж, 3, Сигнал на выходе логического элемента исключающее ИЛИ 13 показан на фиг,Зи, На выходах цифроаналоговых преобразователей 6, 8, 10, 12 сигналы имеют постоянную составляющую (фиг,Зд, Е), кото15 рая компенсируется в сумматорах 6, 9, 11.

Амплитуда постоянной составляющей на выходе цифроаналоговых и реобразователей 6 и 10 определяется выходным напряжением Ux первого управляемого источника

20 14 опорного напряжения, на выходе цифроаналоговых преобразователей 8 и 12 — выходным напряжением Uy* блока 16 коррекции амплитуды или второго управляемого источника 15 опорного напряжения

25 - Uy, если блок 16 отсутствует.

На выходах сумматоров 11, 9 и 7 имеем соответственно сигналы

Ux з1п Nt, Uy cos Nt- Ux sin ил

30 и /3/2 (Ux, cos tot + Uy sin ал)-Л /2

{Uy. соs cut - Ux sin ил).иэ которых два последних являются сигналами Ua u Us фаэ

А и В симметричной системы трехфазных

35 синусоидальных сигналов Оа, Ue u Uc в соответствии с формулами 6 и 7. Сумматор 17 вычисляет значение напряжения с фазы С в соответствии с формулой 8 (фиг.3 к).

Цифровой генератор может работать в

40 одном из четырех основных режимов;

1. Регулирование частоты выходного напряжения при постоянной амплитуде, при этом Ux = const, Uy = const;

2. Регулирование амплитуды выходного

45 напряжения при постоянной частоте, при . этом Оу = чаг, Ux = cost;

3. Регулирование фазы выходного напряжения при постоянных частоте и амплитуде, при этом Ох - чаг, Оу -,cost и в

50 генераторе должен использоваться блок 16 коррекции амплитуды;

4, Регулирование фазы и амплитуды выходного напряжения при постоянной частоте, при этом Ux - чаг, Uy - cost и в

55 генераторе отсутствует блок 16 коррекции амплитуды.

Кроме того в режиме 2-4 может одновременно регулироваться и частота выходного напряжения за счет изменения

1797732 напряжения на первом выходе блока 1 уп- потребует соответствующей реализации управления, равляемых источников 14, 15 напряжения.

Блок 16 коррекции амплитуды предназ- Временные диаграммы работы генераначен для стабилизации амплитуды выход- тора при скачкообразном изменении соного напряжения генератора при 5 ставляющейОхотОдоминусО,-ном(третий регулированиифазы. В этом режимеработы режим работы генератора) показаны на напряжение на четвертом выходе блока 1 фиг.З (интервал времени t2 ... тЗ). Как видно управления. и соответственно, выходное из временных диаграмм, выходные напрянапряжениевторогоуправляемогоисточни- жения фаз А, В, С получили приращение ка 15 опорного напряжения остаются посто- 10 фазы + 90 : янными по амплитуде, т.е. Uy = cost.

Выходное же напряжение Uy* блока 16 кор- Ох Uõ рекции амплитуды является функцией выЛф = arCtg —; = arctg =

О, чОу Ох ходного напряжения Ux первого управляемого источника 14 опорного на- 15 = arctg —" = arctg = + 90 пряжения, амплитуда и полярность которо0 го определяют требуемый сдвиг выходного напряжения генератора. для этого, чтобы аким обРазом, по сигналам с пеРвого ампли да выходного напряжения генера- выхода блока 1управленияосуществляется тора оставалась постоянной при регули - 20 изменение частоты, с второго выхода — извании фазы, необходимо чтобы в блоке 16 ме ение чеРедованиЯ фаз, с тРетьего выхокоррекции и роиз водилось вычисление да — изменение фазы, с четвертого выхода— скорректированного значения напряж изменение амплитуды трехфазных синусоидальных сигналов.

- „: ) „ вариуантов практической реализац б го напряжения генератора при регулирова16 коррекции могут быть использованы по- нии фазы нЕ тРебУетсЯ, напРимеР, в слУчае следовательно соединенн е схе использования генератора в векторных сис5 " темах частотного управления асинхрон ления разности квадрата (и извлечения ми электроприводами; блок 16 коррекции может быть исключен из схемы генератора. аряд со ста илизацией. амплитуды выходного напряжения генератора, введе- При этом выход второго управляемого исние в генератор блока коррекции 16 позво точника 15 опоРного напРЯжениЯ подключаляет существенно расширить диапаз ется непосредственно к опорным входам цифроаналоговых преобразователей 8, 12

Наприм ер п ри измен ении нап ряже„„ия О четвеР омУ и втоРомУ входа сУ матоРов 7 диапазо е Ux = 0 „, - Ох, где О У и соответственно.

=/Оумакс! — максимальное значение напря- Таким обРазом, Увеличение числа кванжения Uõ диапазон рег жения х, диапазон регулирования фазы у= тований выходного напряжения по уровню

45 б 6 40

90 " о о за îMи ания {по сравне «с ро опри его наличии см.фиг. г), т.е. диапазон регулирования типом) приводит к уменьшению нелинейных искажений формы выходного напряжения увеличивается в два раза при изменении напряжений х и у в тех же пределах. генератора трехфазных синусоидальных

Следует отметить, что при наличии блока 16 45 Простота еализа ии и ши окое нксигналов. коррекции можно обеспечить плавное регулирование фазы выходного напряжения ге- циональные возможности пред"агаемо о генератора позволяют применять его в канератора и в олее широком диапазоне, в честве эталонного генератора как в систе360 . Для этого необходимо дополнительно обеспечить соответст- 50 управления преобразователями, использующими метовующее изменение полярности дом слежения за эталонным сигналом, так и управляющих напряжений Ох и Оу при переходе результирующего вектора напряжев измерительной технике. ния на плос ос ХУ ния на плоскости из одного квадрата в ин

Предлагаемый генератор трехфазных другой. игналы управления фазой и ампли„синусоидальных сигналов использован на оо СКТБ ПО "Вектор" в векторной системе уптудой выходного напряжения генератора, поступающие с третьего и четвертого выхоравления асинхронного электропривода

ЭПА-1-100 с фаза.-частотно-токовым управлением, управления, могут быть как в цифровой, так и в аналоговых формах, что

1797732

На фиг.4 приведена реализация блока 1 управления формирующего сигналы управления частотой, амплитудой и фазой выходного напряжения и направлением счета реверсивного счетчика трехфазного генератора синусоидальных сигналов. Устройство

Формула изобретения

Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, содержащий последовательно соединенные формирователь управляющих сигналов, управляемый генератор переменной частоты и реверсивный счетчик, последовательно соединенные первый блок постоянного запоминания, первый цифроаналоговый преобразователь; первый и второй сумматоры, последовательно соединенные второй цифроаналоговый преобразователь и третий сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянного запоминания, третий цифроаналоговый преобразователь и четвертый сумматор. четвертый цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные первый управляемый источник опорного напряжения и блок коррекции амплитуды, выход которого подключен к опорным входам второго и четвертого цифроаналоговых преобразователей и к одним иэ входов первого и третьего сумматоров, а также второй управляемый источник опорного напряжения, выход которого подключен к другому входу блока коррекции амплитуды, к опорным входам первого и третьего цифроаналоговых преобразователей и к одним иэ входов первого и четвертого сумматоров, при.этом управляющий вход реверсивнрго счетчика, первого и второго управляемых источников опорного напряжения подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих является составной частью векторной системы управления асинхронного электропривода с частотным управлением ЭПА-1-100, предназначенного для использования в раз5 личном технологическом оборудовании— роботах, станках с ЧПУ и т.д. сигналов, N-разрядный выход реверсивного счетчика соединен с разрядными входами первого и второго блоков постоянного запоминания, разрядный вход второго цифроаналогового преобразователя - подключен к выходу первого блока постоянного запоминания, разрядный вход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к выходу второго блока постоянного запоминания, выход третьего сумматора соединен с другим входом второго сумматора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов, введен элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам (N-1) и N-ro старших разрядов N-разрядного выхода реверсивного счетчика, а выход которого подключен к входам старших разрядов первого и второго цифроаналоговых преобразователей, при этом выход четвертого сумматора соединен с одним из входов первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с одним иэ входов третьего сумматора, входы старших разрядов третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей подключены к выходу Й-го разряда N-разрядного выхода реверсивного счетчика, выход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов первого сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов, 1797732

Я

z (llxcasut -Uysinutf ЙЦ с<ьв Ийуищ

1797732

1797732

4I ВВ 1

Составитель А.Бочаров

Техред М.Моргентал Корректор А,Мотыль

Редактор

Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина", 101

Заквэ 670 Тираж Подписное

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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