ИМПУЛЬСНАЯ ЧАСТОТНО-ФАЗОВАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

ИМПУЛЬСНАЯ ЧАСТОТНО-ФАЗОВАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ


RU (11) 2342762 (13) C1

(51) МПК
H02P 6/00 (2006.01)
H02P 6/06 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2007133472/09 
(22) Дата подачи заявки: 2007.09.06 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2007.09.06 
(45) Опубликовано: 2008.12.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: БАШАРИН А.В. и др. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1982, с.181-186. RU 2005137628 A, 10.06.2007. RU 2260897 C2, 20.09.2005. SU 1453569 A1, 23.01.1989. SU 1695477 A1, 04.03.1989. GB 214416 A, 02.12.1970. US 3588645 A1, 15.07.1971. DE 10315596 A1, 14.10.2004. JP 2006280141 F1, 12.10.2006. EP 1151527 A1, 07.11.2001. WO 9952201 A, 14.10.1999. 
(72) Автор(ы): Тыщенко Александр Константинович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" (RU) 
Адрес для переписки: 662972, Красноярский край, ЗАТО Железногорск, г. Железногорск, ул. Ленина, 52, ФГУП НПО ПМ, Р.П. Туркеничу 

(54) ИМПУЛЬСНАЯ ЧАСТОТНО-ФАЗОВАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в быстродействующих системах регулирования с широким диапазоном регулирования скорости, в которых требуется стабилизация скорости при равномерном вращении электродвигателя. Техническим результатом является повышение устойчивости и быстродействия, снижение требований к коррекции и расширение диапазона регулирования скорости вращения электродвигателя. В импульсную частотно-фазовую систему регулирования скорости вращения электродвигателя введен блок переключения контуров. Это позволило автоматически определять момент захвата частоты и оптимизировать момента переключения управления с контура автоматической синхронизации на контур фазовой автоподстройки и обеспечить указанный технический результат, расширяя при этом диапазон вращения электродвигателя от сверхнизких скоростей (0,01 Гц) до высоких скоростей (10000 Гц). 3 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в быстродействующих системах регулирования с широким диапазоном регулирования скорости, в которых требуется стабилизация скорости при равномерном вращении электродвигателя.

Известно устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока по RU 2023343 C1, 1994.11.15, МКИ Н02Р 6/02, содержащее мостовой коммутатор на транзисторах, датчик положения ротора, задатчик направления вращения, узел токоограничения, узел управления частотой вращения и декодер, декодер выполнен на трех инверторах и шести логических элементах ЗИ - НЕ или ЗИЛИ - НЕ.

Недостатками данного устройства являются ограниченная полоса захвата частоты и узкий диапазон стабилизируемых скоростей.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является импульсно-фазовая система стабилизации скорости электроприводов, описанная в книге «Управление электроприводами», А.В.Башарин, В.А.Новиков, Г.Г.Соколовский, Л.: Энергоиздат, 1982, стр.181-186, включающая в себя фазовый детектор, генератор эталонной частоты, преобразователь код-частота, регулятор положения, частотный дискриминатор, нелинейный логический блок, импульсный датчик скорости, жестко связанный с валом управляемого двигателя.

Эта импульсно-фазовая система стабилизации скорости электропривода выбрана в качестве прототипа.

Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости и быстродействия, расширение диапазона регулирования скорости вращения электродвигателя с помощью автоматического определения момента захвата частоты и оптимизации момента переключения управления с контура автоматической синхронизации на контур фазовой автоподстройки.

Для достижения поставленной задачи в импульсно-фазовую систему стабилизации скорости электропривода, содержащую последовательно соединенные задающий генератор, частотный дискриминатор, импульсно-фазовый дискриминатор, коммутатор, электродвигатель, вал которого жестко связан с вращающимся трансформатором, используемым в качестве датчика скорости вращения электродвигателя, введен блок переключения контуров, причем выход задающего генератора соединен с первым входом частотного дискриминатора и первым входом импульсно-фазового дискриминатора, выход частотного дискриминатора соединен с первым входом блока переключения контуров, а выход импульсно-фазового дискриминатора соединен со вторым входом блока переключения контуров, выход которого соединен с входом коммутатора, выход которого соединен с двигателем, жестко связанным с вращающимся трансформатором, выход которого соединен со вторыми входами импульсно-фазового и частотного дискриминаторов.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема импульсной частотно-фазовой системы регулирования скорости вращения электродвигателя, на фиг.2 - принципиальная схема блока переключения контуров, на фиг.3 - эпюры напряжений импульсно-фазового дискриминатора.

Импульсная частотно-фазовая система регулирования скорости вращения электродвигателя содержит задающий генератор 1, импульсно-фазовый дискриминатор 2, частотный дискриминатор 3, блок переключения контуров 4, коммутатор 5, электродвигатель 6, вращающийся трансформатор 7, источник 8 квадратурного напряжения.

Для описания системы поясним работу частотного дискриминатора, импульсно-фазового дискриминатора и блока переключения контуров.

На один вход частотного дискриминатора 3 подается синусоидальное напряжение с частотой F3, поступающее с задающего генератора 1. На второй вход частотного дискриминатора 3 подается сигнал обратной связи с выхода вращающегося трансформатора 7, в виде синусоидального напряжения с частотой Foc. В режиме частотного сравнения сигналов F3 и Foc характеристика частотного дискриминатора 3 релейна:

при F 3<Foc Uчд<0,

при F3>Foc Uчд>0.

Работа импульсно-фазового дискриминатора поясняется эпюрами напряжений, представленными на фиг.3.

В данной системе применена малоинерционная схема импульсно-фазового дискриминатора, имеющая малое содержание побочных гармоник и не требующая громоздких низкочастотных фильтров.

Импульсно-фазовый дискриминатор может иметь два состояния. В случае, когда частоты, поступающие на входы дискриминатора, отличаются друг от друга, на величину, большую, чем полоса захвата, выходным сигналом импульсно-фазового дискриминатора является сигнал ступенчатой формы и переменной полярности Uифд, показанный на фиг.3.

При захвате частоты Foc на выходе дискриминатора будет постоянное напряжение, величина которого пропорциональна величине разности фаз входных сигналов, а знак зависит от знака разности фаз.

Блок переключения контуров 4, представленный на фиг.2, работает следующим образом. Когда на вход блока переключения контуров 4 поступает с выхода импульсно-фазового дискриминатора 2 сигнал ступенчатой формы с частотой |F3-Foc|, на выходе компаратора К появляется меандр с этой же частотой, который поступает на формирователь импульсов ФИ1. С выхода формирователя импульсов ФИ1 короткие импульсы длительностью 4 мкс и частотой |F 3-Fo| поступают на обнуляющий вход счетчика DD1 и на вход ФИ2. С выхода ФИ2 импульсы, сдвинутые на величину, равную длительности импульса ФИ1 (4 мкс) относительно импульсов с ФИ1, поступают на вход РЕ счетчика DD1. В результате по импульсу с ФИ1 счетчик обнуляется, а по импульсу с ФИ2 разрешается счет импульсов, поступающих на вход С. В том случае, когда на выходе счетчика DD1 в двух старших разрядах одновременно не присутствуют две логические единицы, т.е. счетчик не успевает досчитать до 15 (1,1,1,1), на выходе микросхемы DD4-1 присутствует логическая единица, поступающая на один из входов DD3-1. На другой вход DD3-1 поступают импульсы с частотой Fc. С выхода DD3-1 импульсы с частотой Fc поступают на вход С счетчика DD1. Происходит вычитание импульсов Fc из числа N, записанного на параллельном входе DD1. В старшем разряде счетчика DD1 присутствует логический ноль, который поступает на управляющий вход А0 мультиплексора DD2, запрещая прохождение сигнала Uифд с выхода импульсно-фазового дискриминатора 2 и разрешая прохождение сигнала Uчд с выхода импульсного частотно-фазового дискриминатора 3.

В случае уменьшения разности частот |F 3-Foc|, т.е. увеличения периода между импульсами, поступающими на входы R и РЕ счетчика DD1, время одного цикла счета увеличивается, и в какой-то момент счетчик досчитает до 15 (1,1,1,1). В двух старших разрядах счетчика DD1 одновременно появятся две логические единицы, на выходе DD4-1 появится логический ноль, который запретит прохождение через DD3-1 импульсов частоты Fc. Счет прекратится. Число N и частота Fc выбираются таким образом, чтобы к моменту прекращения счета, т.е. к моменту появления логических единиц в двух старших разрядах DD1, произошел захват частоты, и на выходе импульсно-фазового дискриминатора появилось постоянное напряжение. Прекратится поступление обнуляющих импульсов на вход R и записывающих импульсов на вход РЕ счетчика DD1. Счетчик установится в устойчивое состояние, и в его четвертом разряде постоянно будет присутствовать логическая единица. Логическая единица в четвертом разряде счетчика DD1, поступив на управляющий вход АО мультиплексора DD2, запретит прохождение сигнала Uчд и разрешит прохождение сигнала Uифд.

Устройство работает следующим образом.

Импульсная частотно-фазовая система регулирования скорости вращения электродвигателя состоит из двух контуров управления. Это контур автоматической синхронизации, работающий с частотным дискриминатором 3, и контур фазовой автоподстройки, работающий с импульсно-фазовым дискриминатором 2. Переключение с одного контура управления на другой осуществляется с помощью блока переключения контуров 4.

Рассмотрим случай, когда разность задающей частоты и частоты обратной связи |F 3-Foc| больше полосы захвата. В этом случае на выходе импульсно-фазового дискриминатора 2 присутствует переменное ступенчатое напряжение. В соответствии с логикой работы блока переключения контуров на его выход поступит напряжение Uчд. Знак этого напряжения зависит от знака разности частот |F3-Foc|. Напряжение Uчд поступает на коммутатор 5, который управляет двигателем 6. Система находится в режиме автоматической синхронизации. Происходит разгон или торможение электродвигателя 6 и, следовательно, увеличение или уменьшение частоты Foc, поступающей с вращающегося трансформатора 7. В результате частота Foc приближается к частоте F 3, и разность частот |F3-Foc| начнет уменьшается. В какой-то момент блок переключения контуров 4 запретит прохождение сигнала Uчд с выхода частотного дискриминатора 3 и разрешит прохождение сигнала Uифд, поступающего с выхода импульсно-фазового дискриминатора 2.

Система переключится в режим фазовой автоподстройки, и электродвигатель будет вращаться с заданной скоростью.

Это состояние будет сохраняться до тех пор, пока разность частот |F3-Foc| не станет больше полосы захвата. Как только, в результате изменения задающей частоты F3 или воздействия возмущающих факторов на вал электродвигателя, разность частот |F 3-Foc| станет больше полосы захвата, процесс повторится.

В случае, когда задающая частота F3 равна опорной частоте Fo, скорость вращения двигателя будет равна нулю. Это происходит следующим образом. Вращающийся трансформатор 7, соединенный с валом электродвигателя 6, запитывается квадратурным напряжением, формируемым источником квадратурного напряжения 8, с опорной частотой Fo. Вращающийся трансформатор 7 работает в режиме фазовращателя. На его выходной обмотке будет присутствовать частота:



где Fo - частота источника квадратурных напряжений;

вр - частота вращения двигателя.

Как видно из формулы (1), когда вр=0, Foc=Fo, т.е. на вход импульсно-фазового дискриминатора 2 подаются равные частоты F3=Fo и Foc=Fo. В этом случае на выходе импульсно-фазового дискриминатора 2 будет присутствовать напряжение Uифд=0, поступающее на вход блока переключения контуров 4. Тогда на выходе блока переключения контуров 4 появляется напряжение Uифд=0, которое в качестве управляющего напряжения поступает на вход коммутатора 5. Электродвигатель 6 будет оставаться в покое.

Частота Fc и число N выбираются в зависимости от полосы захвата и динамических свойств системы так, чтобы к моменту переключения на контур фазовой автоподстройки система находилась в режиме устойчивого удержания. Оптимальный выбор частоты Fc и числа N позволяет адаптировать схему управления под конкретные динамические параметры системы.

Коммутатор 5 и источник 8 квадратурных напряжений принципиальных особенностей не имеют.

Устойчивость и быстродействие системы повышается за счет оптимального момента переключения управления с контура автоматической синхронизации на контур фазовой автоподстройки, которое происходит не в момент, когда частота Foc сравнивается с частотой F3, как это происходит в прототипе, а в момент, когда система находится в режиме устойчивого удержания. Диапазон скоростей управления электродвигателем расширяется за счет возможности выбора оптимальной коррекции системы и отсутствия инерционных низкочастотных фильтров.

Введение в систему блока переключения контуров позволило, за счет автоматического определения момента захвата частоты и оптимизации момента переключения управления с контура автоматической синхронизации на контур фазовой автоподстройки, значительно повысить устойчивость и быстродействие системы, снизить требования к коррекции системы и расширить диапазон регулирования скорости вращения электродвигателя от сверхнизких скоростей (0,01 Гц) до высоких (10000 Гц).

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ФГУП НПОПМ предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Импульсная частотно-фазовая система регулирования скорости вращения электродвигателя, содержащая последовательно соединенные задающий генератор, частотный дискриминатор, импульсно-фазовый дискриминатор, коммутатор, двигатель, вал которого жестко связан с вращающимся трансформатором, используемым в качестве датчика скорости вращения двигателя, отличающаяся тем, что в нее введен блок переключения контуров, причем выход задающего генератора соединен с первым входом частотного дискриминатора и первым входом импульсно-фазового дискриминатора, выход частотного дискриминатора соединен с первым входом блока переключения контуров, а выход импульсно-фазового дискриминатора соединен со вторым входом блока переключения контуров, выход которого соединен со входом коммутатора, выход которого соединен с двигателем, жестко связанным с вращающимся трансформатором, выход которого соединен со вторыми входами импульсно-фазового и частотного дискриминаторов.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru