Устройство для определения направления вращения ротора

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ СПУБЛИК 02 Р 6/О РТИЙ ЗОБРЕТЕНИЯ"ЕТЕЛЬСТВУ(46) 23.09.86. Бюл. В 351) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт(53) 621.313.292-83 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР 9 1022277, кл Н 02 Р 6/02, 1983.Авторское свидетельство СССР Ф 1022278, кл, Н 02 Р 6/02, 1983.Усышкин Е.И., Зельдин В,Ш.Преобразование информаций многоцелевого датчика для автоматизированных микропроводов. - Электричество, 1977, У 5, с. 59.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯНАПРАВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА(57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может быть использовано дляполучения информации о направлениивращения ротора электромеханическихустройств, напр вентильного электродвигателя, а также в устройствах,служащих для защиты объектов от неправильного направления вращения.Целью изобретения является повьппение точности определения направления вращения без усложнения электромеханической части устройства. Установленный на роторе 1 электромеханический преобразователь 2 содержитпервичный 3 и вторичный 4 эл. конТираж 631 Государственног елам изобретений Москва, Ж, Ра Подписно комитета СССР и открытий шская наб., д,1259460 еления от выб- делином зна- частот- уст- час- тетуры, связанные соответственно с формирователем 7-фазного напряже - ния и через формирователь 10 импульсов - с и -канальным блоком 8 памяти,информационных входов которого подключены к выходам и -канального распределителя 12 импульсов, а выходы - к и - входовому анализатору 13 прямой и обратной последовательнос -1Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может быть использовано для получения информации о направлении вращения ротора электромеханических устройств, например вентильного электродвигателя, а также в устройствах, служащих для защиты объектов от неправильного направления вращенияЦель изобретения - повышение точ- О ности определения направления вращения без усложнения электромеханической части устройства.На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - 15 то же, для электромеханического преобразователя с трехфазным первичным контуром, на фиг, 3-5 - диаграммы, поясняющие работу устройства, (индексы обозначений потенциалов на 20 элементах схемы на диаграммах соответствуют. позициям элементов фиг.1 и 2).Устройство для определения направления вращения ротора (Фиг. 1) со держит установленный на роторе 1 электромеханический преобразователь 2 с первичным 3 п -фазным и вторичным 4 однофазным электрическими контурами, генератор 5 импульсов, делитель 30 6 частоты, формирователь 7 Ь -фазного напряжения, п -канальный блок 8 памяти с одним управляющим 9 и и информационными входами и формирователь 10 импульсов. Через Формирователь 1 О импульсов управляющий вход 9-канального блока 8 памяти связан с выходом вторичного однофазного электрического контура 4 электромеханического преобразователя 2, перти импульсов, Точность опред направления вращения зависит раиного коэффициента деления теля 6 частоты при определен чении Ф и ограничивается как ными свойствами элементов ройства, так и минимальной тотой питания преобраэона ля 2, 5 ил,2вичныйв -фазный электрический контур 3 которого подключен к выходу формирователя 7 е -Фазного напряжения . Вход формирователя 7 м -фазного на - пряжения подключен к выходу делителя 6 частоты, вход 11 которого связан с выходом генератора 5 импульсов. Устройство также содержит И -канальный распределитель 12 импульсов и п-входовой анализатор 13 прямой и обратной последовательности импульсов, каждый-й вход которого подключен к 1 -му выходу Н -канального блока 8 памяти, й информационных входов и -канального блока 8 памяти подключены соответственно квыходам П -канального распределителя 12 импульсов, вход которого подключен к выходу генератора 5 импульсов, выход 14 анализатора 13 прямой и обратной последовательности является выходом всего устройства.В устройство для определения направления вращения ротора 1 для электромеханического преобразователя 2 с трехфазным первичным контуром (фиг. 2) Формирователь 7 трехфазного напряжения реализован на Р-триггерах 15 - 17 с соответствующими выходными каскадами 18, Информационные Р-входы триггеров подключены следующим образом: Р-вход триггера 15 подключен к прямому выходу триггера 16, Р-вход триггера 16 - к прямому выходу триггера 17, а Р-вход триггера 1 - к инверсному выходу триггера 15. Тактирующие С-входы триггеров 15 - 17 объединены и представляют собой вход формирователя 7 трехфазного напряжения. Прямые выхо 1259460 4ды триггеров 15 и 17 и инверсный выход триггера 16 через соответствующие выходные каскады 18 подключены к первичному трехфазному электрическо му контуру 3 электромеханического преобразователя 2. Однофазный электрический контур 4 электромеханическо го преобразователя 2 подключен к входу формирователя 10 импульсов, реализованного на конденсаторе 19, резисторе 20, буферном элементе 21 РБ.-триггере 22, Р-вход которого подключен к шине с потенциалом логической единицы, К-вход установка нуля подключен к выходу генератора 5 импульсов, К тактирующему С-входу триггера 22 подключен однофазный электрический контур 4 электромеханического преобразователя 2 через фильтр, выполненный на конденсаторе 19, резисторе 20 и буферном элементе 21, В качестве буферного элемента 21 может быть использован развязывающий усилитель или один логический элемент И с объединенными входами. Выход РК-триггера 22 является выходом формирователя 10 импульсов.Выход генератора 5 импульсов под.ключен к входу трехканального распределителя 12 импульсов, выполненного на резисторе 23, конденсаторе 24, инверторе 25, интегральной микросхеме 26 155 ИР 1 (четырехразрядный универсальный сдвиговый регистр), выход "4" которой подключен на вход 7 при этом обеспечивается распределение импульсов, поступающих на вход С по трем каналам. Выход генератора 5 импульсов подключен к входу С, микросхемы 26 через фазозадерживающую цепочку, состоящую из резистора 23, конденсатора 24 и инвертора 25. Выходы микросхемы 26 соответственно подключены к Р-входам Р-триггеров 27-29, на которых реализован трехканальный блок 8 памяти.Тактирующие С-входы триггеров 27 - 29 объединены и представляют собой управляющий вход 9 трехканального блока 8 памяти. Анализатор 13 прямой и обратной последовательности импульсов выполнен трехвходовым на РК-триггерах 30-32, выходы которых подключены к входам логического сумматора 3 ИЛИ 33. В-входы триггеров 30 - 32 объединены и подключены к шине с потенциалом логической едини 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 цы. С-вход триггера 30 объединен сК-входом триггера 32 и оба они подключены к инверсному выходу триггера 27. С-вход триггера 31 объединенс К-входом триггера )О и оба ониподключены к инверсному выходу триггера 28. С-вход триггера 32 и К-входтриггера 31 объединены и подключенык инверсному выходу триггера 29, Выход логического сумматора 33 является выходом 14 трехвходового анализатора 13 прямой и обратной последовательности импульсов и выходом устройства для определения направлениявращения ротора 1.В качестве электромеханическогопреобразователя 2 может быть использован многофазный сельсин с емкостными или индуктивными электрическимиконтурами, вращающийся трансформатор, различные фазовращатели и т.д.Число фаз первичного электрическогоконтура 3 щ 3 2 и определяется типомиспользованногоконкретного электромеханического преобразователя 2 иперечнем элементов, разрешенных кприменению. Конкретное выполнениеформирователя 7 ь 1 -фазного напряжения определяется выбранным типомэлектромеханического преобразователя 2 (фиг. 2) .Количество каналов п -канальногораспределителя 12 импульсов (фиг.2)определяется в процессе синтеза устройства для определения направлениявращения ротора иэ условия конкретной схемотехнической реализации анализатора 13 прямой и обратной последовательности импульсов,Число каналов п -канального блока 8 памяти выбирается при синтезеустройства и принимается равным числу каналов распределителя 12 импульсов. Пример трехканального блока 8 памяти показан на фиг. 2. Придругом числе каналов О -канальногоблока 8 памяти он снабжается Р-триггерами в количестве, равном числуканалов, у которых О -входы являютсявходами н -канального блока 8 памяти,тактирующие С-входы объединены ипредставляют собой управляющий вход9, а выходы В-триггеров является выходами О -канального блока 8 памяти.тФормирователь 10 импульсов (фиг.2)исключает формирование импульса в момент наличия импульса на выходегенератора 5 импульсов. Для этой женапряжения с вторичного электрического контура 4. Нестабильность выходного напряжения этих сельсинов заключается в неоднозначности момента перехода выходного напряжения через нуль и соизмерима с частотой импульсов генератора 5, Связь генератора 5 импульсов с формирователем 10 импульсов и наличие фазозадерживающей цепочки используются не всегда. Их необходимость определяется конкретным типом используемого в устройстве электромеханического преобразователя 2,Вход 11 делителя б частоты может быть подключен к выходу генератора 5 импульсов или к одному из выходов И-канального распределителя 12 импульсов. В последнем случае коэффициент деления частоты генератора 5 импульсов может быть увеличен при использовании одного и того же делителя б частоты.Рассмотрим принципиальную возможность точного контроля изменения направления вращения ротора 1 при использовании предлагаемого устройства.За счет подачи внешнего многофазного напряжения на первичный щ-фазный электрический контур 3 элек. тромеханического преобразователя 2 в расточке его статора создается вращающееся поле. При этом сигнал П на вторичном однофазном электрическом контуре 4, находящемся в этом поле, пропорционален величинезп Г 2 о-Ю ИМ 1, (1) где 2 - частота возбуждения фазоных обмоток первичногоэлектрического контура 3,(С) - угловая координата (положение) вторичного электрического контура 4, связанного с ротором 1,- текущая координата времени. 1520,253035 3 12594 цели служит фазозадерживающая цепочка,. выполненная на резисторе 23, конденсаторе 24 и инверторе 25. Это устраняет влияние нестабильности выходного напряжения однафазного электрического контура 4 электромеханического преобразователя 2, свойственной отдельным типам электромеханических преобразователей 2, в частности сельсинам с контактным съемом 1060 Таким образом, сигнал вторичного электрического контура 3 электро- механического преобразователя 2 при достаточно большой частоте Г дает практически непрерывную во времени информацию о значении угловой координаты ротора 1, независимую от изменений скорости вращения . Для определения направления вращения необходимо зафиксировать ряд последовательных положений ротора 1 в виде И периодически меняющихся электрических сигналов, у которых последовательность комбинаций логических состояний соответствует последовательности дискретных положений ротора 1, форма сигналов может быть любой, однако с точки зрения простоты обработки информации целесообразно ее иметь прямоугольной. Преобразование фазомодулированного сигнала в требуемые виды сигналов можно охарактеризовать следующим образом. Пусть на выходе И - канального распределителя 12 импульсов имеется И периодических сигналов, частота которых Й, кратнаП; =Яздпз 1 п(271 КЕ +а,)+А), (2) где Е; =Г, ,- коэффициент кратности (целое число),2 ь(-1)ф, =- угловая постоянная,1и; А = 01.Положим, что значения этих сигналов фиксируются и запоминаются в моменты времени 1=3, временные интервалы между которыми определяются периодом изменения функции (1), т.е. согласно соотношению 271,О-сд)=0, 2 н, 4 а Й 2. (3) Согласно выражению (3) значениямоментов фиксации равны(4) В результате фиксаций и запоминания сигналов (2) в моменты времени е 3 может быть получена определенная последовательность комбинаций логических состояний сигналов (2),Выражение для этой последовательности комбинаций логических состояний сигналов может быть записано при, подстановке в выражение (2) значений й1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 5 ся фаза сигнала, наведенного на вторичном электрическом контуре 4 (Б,фиг. 3) . В дальнейшем ротор 1 остается в покое. Импульсы 13, на выходеформирователя 10 импульсов появляются в моменты времени, С, 1. Пе-,риод их появления равен периоду вращения магнитного поля, наведенного врасточке электромеханического преобразователя 2 (или периоду. сигналовП 1Б 1 бБп ) у фаза сиГнЯПЯ Б изменяется на величину углового перемещения ротора 1 и равна ,Таким образом, моменты появленияимпульсов 1310 на выходе формирователя 10 импульсов находятся в прямойзависимости от углового положенияротора 1.Одновременно с наведением магнитного поля в расточке электромеханического преобразователя 2 на выходетрехканального распределителя 12 импульсов вырабатывается последовательгнОсть импульсов Б 2 бф 132 б ф 1326 (фиГ ф 4) .Частота этих импульсов кратна и вышечастоты вращения поля .электромеханического преобразователя 2. Соотношение указанных частот определяетсягвыражением (7), Импульсы 02 б, 132 б,Б поступают на информационные Ввходы В-триггеров 27 - 29 трехканального блока 8 памяти. В моментыприхода импульса Бю с формирователя 10 импульсов (Г.,и С , фиг. 4) науправляющий вход 9 трехканальногоблока 8 памяти последний запоминаеткомбинацию логических состояний сиг 2налов 132 б, 02 б ф 13 гбкоторые имелиместо на информационных В-входахтриггеров 27 - 29. Если ротор 1не изменяет своего углового положения, то не меняется и фаза импульсов 00, вырабатываемых формирователем 10 импульсов, относительно напряжения формирователя 7 трехфазного напряжения. Поскольку напряжения формирователя 7 трехфазногонапряжения и трехканального распределителя 12 импульсов сфазированымежду собой и частоты их кратны,т.е. начало каждого 1 -го периодасигнала Б совпадает с началом периода напряжения формирователя 7, топри отсутствии углового перемещенияротора 1 на входе трехканальногоблока 8 памяти в момент прихода импульса 010 будет иметь место однаи та же комбинация логических состоянии сигналов 13, 026,. Комбигй фнация логических состояний сигналов Пг 132, Пг ня выходе трехканального блока 8 памяти также. не меняется.Изменение углового положения ротора 1 при его вращении вызывает изменение фазы импульса Б, на каждом периоде вращения магнитного поля в расточке электромеханического преобразователя 2, Изменение фазы импульса 13, происходит относительно нЯпряжений Ц 1% э 1316 ф 1311 формировЯ теля 7 трехфазного напряжения и сиг йналов Бгб, Бгб, Бгб трехканального распределителя 12 импульсов.Это приводит к тому, что на выходе трехканального блока 8 памяти последовательно фиксируются и за-; - поминаются комбинации логических2сиГналов 026 ф 132 б ф 026присутст - вующих на входе этого блока в момент прихода импульса Бо .Появление импульса Б 0 возможно только в тот момент, когда он не совпадает с фронтами сигналов 02Ъ1326 У 13 26 Это сделЯно для тОГО чтобы исключить неоднозначность при запоминании комбинации логических состояний сигналов. Достигается это за счет использования в трехканальном распределителе 12 импульсов фазозадерживающей цепочки, реализованной на резисторе 23, конденсаторе 24 и элементе НЕ 25, и подключения К-входа "Установка нуля ВК-триггера 22 к выходу генератора 5 импульсов.При вращении ротора 1 в определенном направлении знак приращенияфазы импульса 13 ю постоянный, а приизменении направления вращения онменяется на обратный. Допустим, чтопри вращении ротора 1 вперед имеетместо положительное приращение фазысигнала 0,0 (фиг. 4). При каждом пеРиоДе сигнала 02 р фаза импУльса еюизменяется в положительную сторону,и на выходе блока 8 памяти фиксируется и запоминается последовательность логических состояний сигналов,соответствующая прямой последователь"ности появления комбинаций лоических состояний сигналов Пгб,7026 на выходе трехканального распределителя 12 импульсов.При вращении ротора 1 назад фазаимпульса П, имеет отрицательное при 3)ашение на каждом периоде сигналаВ частном случае, когда число дискретных комбинаций логических сос. тояннй сигналов Л -канального распределителя 12 импульсов равно точность определения направления вращения равна ас= 21 /Кв.(7) и зависит от соотношения частотывращающегося поля Го в расточке электромеханического преобразователя 2,определяемого частотой напряженияформирователя М -фазного напряжения,и частоты сигналов И -канальногораспределителя 12 импульсов 11 (2)и числа дискретных комбинаций логи -ческих состояний сигналов и -канального распределителя 12 импульсов. П,=Б 1 цпвп;ы;1+А (5)По виду сигнала (5) можно сделать вывод, что он также соответствует непрерывному сигналу видаО,=Бкпвп+11 + А 1,(6)Скорость изменения угловой координаты ротора 1 Ч(Т) конечна, поэто му скорость изменения функции з 1 пКЦ(1)+ 4, и частота перемены полярности (6) ограничены. При этом условии выходной сигнал запоминающего звена с увеличением частоты Г все более приближается к (6) . Поэтому в результате описанной последовательности операций может быть получен сигнал, как угодно близкий к (6)Если ротор 1 находится в состоянии покоя,изменение (С) отсутствует. При этом в моменты времени 9, интервал между которыми характеризуется выражением (3), при фиксировании запоминается одна и .та же комбинация логических состояний сигналов (2), свидетельствую,щая об отсутствии перемещения ротора 1,Если произойдет изменение углового положения ротора 1 на ь , то при фиксировании запоминается другая комбинация логических состояний сигналов (2), свидетельствующая об изменении углового положения, Контроль порядка следования комбинаций, логических сигналов (2) позволяет судить о направлении вращения ротора 11259460Указанная точность может быть нанесколько порядков выше по сравнениюс точностью известных устройств дляопределения направления вращения5 при соответствующем выборе 1 и пУстройство для определения направления вращения ротора работаетследующим образом.После деления частоты импульсовБ генератора 5 импульсов на выходеделителя 6 частоты Формируется последовательность импульсов 06 (фиг.3), Под действием импульсов Б навыходе 0-триггеров 15 - 17 Формиру 15ются сигналы Б 06, 130 длитель-,ностьюкаждый, сдвинутые относительно друг друга на 2 и/3. Эти сигналы через выходные каскады 18(Фиг. 2) поступают в первичный электрический контур 3 электромеханического преобразователя 2.Под действием напряжения формирователя 7 трехвазного напряжения,имеющего во времени шесть дискрет 25ных состоянии, и за счет конечноговремени протекания переходного процесса в электрических контурах электромеханического преобразователя 2в расточке последнего создается враЗ 0 щающееся магнитное поле, наводящеево вторичном электрическом контуре4 напряжение, меняющееся по периодическому закону и соответствующеевиду (1), После прохождения через 35 фильтр, выполненный на конденсаторе 19 и резисторе 20, оно имеет видУдили 01 (Фиг. 3) после буферногоэлемента 21, Формирователь 10 импульсов формирует импульс напряжения 40 11, в момент перехода напряжения Бчерез нулевой потенциал при изменении его знака с " в " на "+" и при отсутствии импульса 0 с выхода генератора 5 импульсов.45В течение времени -С (фиг. 3)ротор 1 находится в покое, взаимноеугловое положение электрических контуров 3 и 4 электромеханическогопреобразователя 2 не меняетсяФазаимпульсов Ц не меняется относитель"но трехфазного напряжения формирователя 7. В течение времени с -С роатор 1 находится в движении, изменяет свое угловое положение на угол55 Ю,; и останавливается. Происходит изменение углового положения электрических контуров 3 и 4 электромеханического преобразователя 2, Иеняет12 э 94 112 о . В этом случаев на вькоде трех - канального блока Ц памяти фиксируется и запоминается такая последовательность комбинаций логических состояний сигналов, которая соответствует обратной последовательности появления комбинаций логических состоягний сигналов Б , 026, Бг на выходе трехканального распределителя 12 импульсов. 0Контролируя порядок появления комбинаций логических состояний сигналов Цг 1 Бг У ц 29 Ф можно судить об истинном направлении вращения ротора 1. Осуществляет такой контроль трех входовой анализатор 13 прямой и обратной последовательности импульсов.Рассмотрим работу триггеров 30 - 32 трехвходового анализатора 13 на примере работы триггера 30. В момент 20 времени с (фиг. 5) на тактирующий С-вход триггера 30 поступает положительный фронт сигнала Пг с трехканального блока 8 памяти, а на К-входеУстановка нуля сигнал Бг,пропада ет. На выходе триггера 30 появляется уровень логической единицы. В момент времени йг (фиг. 4) на К-вход "Уста-новка нуля триггера 30 поступает уровень логической единицы сигнала 30 П 28, при этом триггер 30 переводится в нулевое состояние по выходу, При вращении ротора 1 вперед на выходе трехвходового блока 8 памяти формируется прямая последовательностьЗ 5 комбинаций логического состояния сигУ налов Пгг, Уг, Б 29 (фиг. 4), ПоД действием этой последовательности на триггерах 30 - 32 периодически появляются уровни логической едини ,цы. На сумматоре ЗИЛИ 33 происходит суммирование сигналов триггеров 30 - 32. В результате логического суммирования на .выходе логического сумматора 33, а следовательно, и на выхо Оде устройства формируется уровень логической единицы, свидетельствующий о направлении вращения ротора 1 вперед.В момент С, (фиг. 4) ротор 1 изменяет направление вращения. Изменяется на обратную последовательность комбинаций логических состояний сигналов 022, Ога, Бг 9. В момент 4 на К-вход "Установка, нуля" 55 триггера 31 поступает уровень логической единицы сигнала 09. Триггер 31 переключается в нулевое сос 6012тояние, Дальнейшее формированиеуровней логической единицы на выходах триггеров 30-32 исключается, поскольку в момент прихода положительного фронта сигнала на тактирующийС-вход каждого триггера на их К-входах "Установка нуляимеет место уровень логической единицы. При вращении ротора 1 назад на выходе логического сумматора ЗИЛИ 33 (на выходеустройства для определения направления вращения) формируется уровеньлогического нуля.Оценим точность работы устройства для определения направления вращения ротора 1. Угловая погрешностьопределения направления вращения ротора 1 при изменении направления вращения (фиг. 4) не превышаетдлительности одной комбинации логических состояний сигналов Пг Бг,П , имеющих место на выходе блока 829памяти. Комбинация логических состояний сигналов блока 8 памяти меняется каждый раз при повороте ротора1 на угол 2/1 г или/1, где1 - коэффициент деления делителя 6частоты.Точность определения направлениявращения зависит от выбранного коэффициента деления делителя 6 частоты при определенном значении 9 и ограничивается частотными свойствамиэлементов, на которых реализованоустройство, и.минимальной частотойпитания электромеханического преобразователя 2,Увеличение частоты генератораимпульсов до Г = 1200 кГц позволяет повысить на порядок точностьопределения изменения направлениявращения ротора по отношению к известному устройству. Если выбратьдля генератора 5 импульсов предельно допустимую для микросхем серии133 частоту 30 ИГц, то точность определения направления вращения прииспользовании предлагаемого устрой"ства (фиг. 2) составитФ"Ч= у 50 = 000042 раз3г 30000ГДЕ К 9:2 о 2 20Таким образом, изобретение позволяет повысит:. при современных возможностях микросхемотехники точностьв 250 раз по сравнению с точностьюизвестного устройства, у которого6 = - . Это позволит реализовать 3различные системы регулирования приводов, требующие точного определения направления вращения, такие к,.;. приводы работотехники, реверсивные позиционные приводы повышенной точ-ности и др.Формула изобретенияУстройство для определения направления вращения ротора, содержащее установленный на роторе электро,механический преобразователь с первичным Ю -фаэным и вторичным однофазным электрическими контурами, гене. - ратор импульсов, делитель частоты, формирователь в -фазного напряжения, и-канальный блок памяти с одним управляющим и и информационными входами, анализатор прямой и обратной последовательности импульсов на выходе устройства и формирователь импульсов, через который управляющий вход О -канального блока памяти связан с выходом вторичного однофазного электрического контура электромеханического преобразователя, первичный пав 5 фазчый электрический контур которогоподключен к выходу формирователя Ф-фазного напряжения, вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого связан с выходом генератора импульсов, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено П -канальным распределителем импульсов, анализатор прямой и обратной последовательности импульсов выполнен И -входовым, каждый 1 -й вход анализатора подключен к 1 -му выходу 0 -канального блока памяти, п информационных входов которого подключены соответственно к выходам и -канального распределителя импульсов, вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выходная частота формирователя п-фазного напряжения кратна частоте И -канального распределителя импульсов.