Устройство для стабилизации частоты вращения электродвигателя

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК ОБРЕТ ЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬ(ТИЙ ОПИСАНИЕ Н ДВТ 01 СН 0 МУ С(56) 1, Авторское свидетельство СССР9 720648, кл. Н 02 Р 5/00, 1979.2. Танский Е,А, Прецизионные системы стабилизации скорости двигателей, Л., Энергия, 1975, с. 54-65. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, первый дискриминатор, сумматор и формирователь управляющего сигнала, подключен- ный к электродвигателю, второй дискриминатор, один вход которого подключен к генератору импульсов, а выход связан с вторым входом сумматора, . две цепи, каждая иэ которых состоит из последовательно сс)единенных тахо датчика и импульсного усилителя, вы ходы усилителей подключены к вторым входам первого и второго дискримина торов соответственно, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упроще ния, в него дополнительно введены фильтр высших частот, инвертор и блок задержки, включенный между выходом импульсного усилителя и вторым входом второго дискриминатора, выхо которого через последовательно соединенные фильтр высших частот и инвертор подключен к второму входу су матора.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано впрецизионных приводах с электродвигателями,К электродвигателям, используемыми прецизионных системах автоматического регулирования, в приборах записи, воспроизведения и передачи информации, в оптикомеханических системахи в электромеханических устройствахрадиоэлектронной аппаратуры, в нас- Отоящее время предъявляются высокиетребования по стабильности частотывращения ротора при изменении моментанагрузки, напряжения питания, температуры и других дестабилизирующих 5факторов, Устройства для стабилизации частоты нращения электродвигателей должны обеспечивать высокую точность стабилизации средней и мгновенной частот вращения электродвигателей, обладать высоким быстродействием и надежностью и характеризоватьсяпростотой конструкции,Известно устройство для стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока, содержащее им 2пульсный генератор опорной частоты,импульсный тахогенератор (таходатчик),дискретнофазовый регулятор, состоящий из двух каналов - частотного ифазового, усилитель, элементы И иНЕ и ключ динамического торможения Г 1 3.Недостатком известного устройстваявляется погрешность стабилизациимгновенной частоты вращения двигателя, вызванная влиянием неточностиизготовления модулятора Импульсноготаходатчика,Погрешность изготовления таходатчика, например непостоянство шага 40между модуляционными метками, а такжеэксцентриситет и биение модулятора,принодит к нарушению пропорциональности между частотой вращения электродвигателя и частотой сигнала на 45выходе таходатчика, т.е. приводит ктак называемой частотной погрешности таходатчика, которая содержитложную информацию как о частоте таки о фазе вращения двигателя, а устройство для стабилизации отрабатывает ее как статическую ошибку,увеличивая неравномерность вращения.Точное изготовление таходатчика,имеющего минимальную частотную погрерность ныходного напряжения, связано с техническими трудностями изначительной стоимостью,Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройстно для стабилизации частоты вращения электродвигателя, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, дискри"минатор, сумматор и формировательуправляющего сигнала, подключенныйЬк электродвигателю, второй дискрими-, у натор, один вход которого подключен к генератору импульсов, а выход связан с вторым входом сумматора, две цепи, каждая иэ которых состоит из последовательно соединенных таходатчика и импульсного усилителя, выходы усилителей подключены к вторым входам первого и второго дискриминатьров соответственно. Каждый из таходатчиков представляет собой источник излучения, оптическую .систему, фото- приемник и расположенный между ними модулятор в виде светонепроницаемого диска с множеством прорезей - модуляционных меток, Таходатчики размещены один отнЬсительно другого со сдвигом на 1.80 в направлении вращения общего для обоих таходатчиковмодулятора, жестко закрепленного наоси днигателя. Формирователь управляющегосигнала н предлагаемом устройстве сОдержит последовательно соединенные корректирующий четырехполюсник, усилитель постоянного тока, фазовращатель, к импульсному входу которого подключен с выхода генератора делитель частоты, второйделитель частоты с коэффициентом деления 2 и усилитель мощности, .Опорные импульсы от генератораимпульсов подаются на входы дискриминаторов, на другие входы которых свыходов таходатчиков поступают импульсы, усиленные и сформированныеусилителями, Сигналы, снимаемые с выходов дискриминаторов и пропорциональные фазовому сдвигу между опорны ми импульсами и импульсами таходатчиков, складываются сумматором и поступают далее на формирователь управляющего сигнала, который оказывает воздействие на фазу напряжения питания двигателя,Эксцентриситет модулятора таходат чикон при вращении двигателя приводит к изменениям радиуса средней линии модуляционных меток и их линейной скорости относительно тахо- датчиков и, как следствие, изменяется мгноненная частота следования импульсов на выходах таходатчиков. При этом в диаметрально противоположных точках модулятора эти изменения взаимно пропорциональны и имеют противоположный знак, Расположенйе днух таходатчиков через 180 и сложение их сигналов на выходах дискриминаторов компенсирует противофаэные погрешности частоты их импульсов, обусловленные влиянием эксцентриситета модулятора, что в итоге обеспечивает равномерность вращения двигателяпри несколько сниженных требованиях к точности изготовления модулятора .123.Недостатком является то, что уст- ройство характеризуется сложностью изгот 6 вления, обусловленной высокими требованиями к постоянству величины шага модуляционных меток модулятора таходатчика из-эа отрицательного влияния непостоянства шага меток на равномерность частоты, вращениядвигателя.5Цель изобретения - упрощение устройства для стабилизации частотывращения электродвигателя.Поставленная цель достигается,тем, что в устройство для стабилиза 1 Оции частоты вращения электродвигателя, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, пер",вый дискриминатор, сумматор и формирователь управляющего сигнала, подключенный к электродвигателю, второйдискриминатор, один вход которогоподключен К генератору импульсов,а выход связан с вторым входом сумматора, две цепи, каждая из которыхсостоит из последовательно соединен-.ных таходатчика и импульсного усилителя, выходы усилителей подключенык вторЫм входам первого и второгодискриминаторов соответственно, дополнительно внедены фильтр высшихчастот, иннертор и блок задержки,включенный между выходом импульсногоусилителя и вторым входом второгодискриминатора, выход которого черезпоследовательно соединенные фильтр ,высших частот и инвертор подключен.к нторому входу сумматора.На фиг.1 изображена функциональнаясхема предлагаемого устройства; наФиг.2 - конструктивная схема размещения таходатчиков в устройстве прииспользовании датчиков фотоэлектри-.ческого типа; на фиг.3 - временная.диаграмма, поясняющая работу устройства при изменении частоты вращения 4 Одвигателя; на фиг,4 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства при непостоянстве шага модуляционных меток модулятора таходатчикон,45 Устройство для стабилизации час. тоты вращения электродвигателя 1содержит последовательно соединен-.ные генератор 2 импульсов, дискрими-. натор 3, например, частотно-фаэоный, сумматор 4 и формирователь 5 управ. - ляющего сигнала, подключенный кэлектродвигателю 1, дне цепи, одна из которых состоит из последовательно соединенных таходатчика 6 и импульсного усилителя 7, а вторая - иэ та-: ходатчика 8 и импульсного усилителя 9, дискриминатор 10, один вход кото-. рого подключен к генератору 2 им-: пульсов . Кроме того, устройство со.60 держит блок 11 задержки, включенный, между выходом импульсного усилителя 7 и вторым входом дискриминатора 10 выход которого через последователЬно, соединенные фильтр 12 высших частот А 5 и инвертор 13 подключен к второмувходу сумматора 4.В устройстве могут использоваться таходатчики различного типа та-кие, например, как индукционные, индуктивные, емкостные или фотоэлектрические, которые генерируют на выходе переменное или импульсное напряжение с частотой модуляции соотнетстненномагнитного, электромагнитного, электрического или снетового потока. Общий для обоих таходатчиков модулятор жестко соединен свращающимся валом (ротором) электродвигателя, при этом угловой шаг модуляции несколькб больше угла размещения датчиковВ качестве примерана фиг.2 показано размещение Фотоэлектрических таходатчиков. Таходатчики б и 8 содержат последовательноустановленные источник 14 излучениялучистой энергии, оптическую систе-.му 15, модулятор 16 и дна Фотоприемника 17 и 18, размещенных рядом сосдвигом один относительно другого.ннаправлении нращения модулятора 16Модулятор 16 выполнен в виде светонепроницаемого диска со щелевымиотверстиями, шаг между которыми несколько больше шагового расстояниямежду фотоприемниками 17 и 18, ВыходФотоприемника 17, первого н направлении вращения модулятора, соответствует выходу таходатчика б, а выход Фотоприемника 18 - выходу таходатчика 8.УстрОйство работает следующимобразом,При включении устройства с выходаимпульсного генератора 2 поступаютимпульсы напряжения (фиг.2,а) навходы дискриминаторов 3 и 10, на выходе которых возникают постоянныенапряжения, Выходное напряжение дискриминатора 3 обеспечивает черезсумматор 4 и формирователь 5 управляющего сигнала .подачу напряженияпитания на двигатель 1 и его разгон.Постоянную составляющую и низшиечастоты выходного напряжения дискриминатора 10 фильтр 12 не пропускаетна вход инвертора 13 и далее на второй вход сумматора 4, поэтому еговыходное напряжение равно напряжениюна первом входе. При вращении двигателя 1 поочередно через одно и тоже отверстие модулятора 16 освещаются источником 14 Фотоприемники 17 и18, на выходах которых возникают импульсы напряжения с частотой следования, равной частоте модуляции светового потока. Выфдные напряжениятаходатчиков 6 и 8 усиливаются иФормируются в импульсы с крутымифронтами усилителями 7 и 9 соответ-,ственно (фиг.3,б). Последовательности этих импульсов сдвинуты одна относительно другой на время Фз, равное времени прохождения модуляционного отверстия между таходатчиками, расстояние между которыми постоянно. При постоянной частоте вращения двигателя 1 совместно с модулятором 16 это время постоянно и изменяется обратно пропорционально изменению частоты вращения двигателя. Усиленные импульсы таходатчика 6 - первого в . направлении вращения модулятора 16 поступают на вход блока 11 задержки 10 импульсов с временем задержки, равным времени поворота модулятора 16 на угол между таходатчиками 6 и 8 с номинальной (заданной) угловой скоростью, и далее - на второй вход )5 дискриминатора 10.Усиленные импульсы (фиг,З,й) таходатчика 8 - второго в направлении вращения модулятора 16 поступают на второй вход дискриминатора 3. На выходах дискриминаторов 3 и 10 возни.кают напряжения, равные максимальным положительным значениям при отсутствии или при следовании импульсов от таходатчиков с частотой, меньшей частоты следования импульсов от генератора 2, равные нулю при следовании импульсов от таходатчиков с частотой, большей частоты импульсов генератора 2, и равные значениям,которые в виде ступенчатого сигнала изменяются от нуля до максимума и определяются фаэовым сдвигом импульсов таходатчиков и генератора 2 при совпадении частот их следования, т.е. в установившемся режиме, Номи нальная частота, вращения электродвигателя в установившемся режиме определяется частотой следования импульсов генератора 2 и поддерживается ,постоянной, компенсируя изменение 4 О возмущающих воздействий изменением установившегося значения фазового угла между импульсами генератора 2 и таходатчика 8.При воздействии внешних факторов, 45 например, при увеличении момента нагрузки Мцэлектродвигателя 1 или при уменьшении напряжения его питания, уменьшается частота вращения электродвигателя 1 и соответственно 50 увеличивается фазовый угол между последовательностями импульсов генератора 2 (фиг, З,а) и таходатчиков 6 и 8 (фиг. З,в) . Увеличение фазового угла. между опорными импульсами генератора 2 (фиг. З,а) и импульсами от таходатчика 8 (фиг. З,в) вызывает увеличениевыходного.напряже. ния дискриминатора 3 (фиг. З,г), Им пульсы от таходатчика 6 (фиг. З,б) сдвигаются на постоянную величину 60 времени блоком 11 задержки импуль- . сов (фиг. З,д) для обеспечения временного совпадения напряжений в сумматоре 4. Фазовому углу между опорными импульсами (фиг. З,а) и за 65 держанными импульсами соответствует выходное напряжение дискриминатора 10 (фиг. 3, е). Кроме того, при уменьшении частоты вращения происходит относительное увеличение фазового угла между последовательностями импульсов от таходатчиков 6 и 8 и, соответственно, возникает различие в значениях выходных напряжений дискриминаторов 3 и 10. При увеличении фазового сдвига между опорными импульсами и импульсами от таходатчиков 6 и 8 напряжение на выходе дискриминатора 3 становится больше, чем напряжение на выходе дискриминатора 10 на величину, соответствующую относительному увеличению фазового сдвига между импульсами таходатчиков 6 и 8. Выходное напряжение дискриминатора 3 (фиг. 3, г) поступает на один из входов сумматора 4, а выходное напряжение дискриминатора 10 на вход фирьтра 12 высших частот, в качестве которого в простейшем случае может использоваться конденсатор. Фильтр 12 высших частот пропускает только переменную составляющую напряжения, задерживая постоянную составляющую и медленные изменения напряжения, Целесообразно, чтобы частота среза фильтра 12 высших частот равнялась или была выше частоты вращения двигателя, но находилась ниже частоты модуляции (дискретизация). Тогда переменному напряжению (фиг. З,ж) на выходе фильтра 12 соответствует изменение частоты вращения двигателя 1 за время менее одного оборота или изменение частоты модуляции, обусловленное эксцентриситетом, биением или непостоянством шага модулятора 16. Аналоговый инвертор 13, представляющий собой инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления, например эмиттерный повторитель, изменяет на 180,фазу переменного напряжения на выходе фильтра 12. Выходное напряжение инвертора 13 (фиг.З, э) поступает на другой вход сумматора 4, который ,складывает это напряжение с выходным напряжением дискриминатора 3. Выходное напряжение сумматора 4 (фиг,З,и) содержит постоянную составляющую, соответствующую фазовому углу между опорными импульсами генератора 2 и импульсами от таходатчика 8, и переменную составляющую, соответствующую только изменению фазового угла между импульсами от таходатчиков 6 и 8, что имеет место при изменении частоты вращения двигателя, т.е. при отклонении фактического времени прохождения каждой модуляционной меткой модулятора 16 между чувствительными элементами (фотоприемниками 17 и 18) таходатчиков 6 и 8 от постоянного значения времени задержки, котороещего сигнала отсутствуют и, какследствие, сохраняется равномернойчастота вращения двигателя 1,обеспечивается блоком 11 з адерж-ки.В итоге, при увеличении фазового угла между импульсами от таходатчи.ков б и 8 и генератора 2 выходное напряжение сумматора 4 (фиг.З,и) увеличивается, с помощью формирователя 5 увеличиваются напряжение или частота питания электродвигателя 1 и, как следствие, увеличивается частота его вращения, стремясь к номинальному значению.При уменьшении момента нагрузки электродвигателя 1 или при увеличении напряжения его питания, привецшем к увеличению частоты его враще ния, происходит обратный процесс.Таким образом, замкнутый контур регулированияпутем изменения напряжения или какого-либо другого, управляющего воздействия на электродвига тель поддерживает стабильной среднюю частоту его вращения при воэдей ствии внешних факторов по сигналу ошибки, зависящему от сдвига по фазе между импульсами генератора опор ной частоты и таходатчика.Рассмотрим работу устройства при непостоянстве шага модуляционных меток модулятора на примере использования таходатчиков фотоэлектрического типа, показанного на фиг.2.Оптическая система.15 преобразует световой поток точечного источника 14, расположенного вблизи модулятора 16, в световой поток с мнимым центром излучения на оси вращения модулятора, обеспечивая для каждого фотоприемника одинаковые условия модуляции светового потока, В этом случае непостоянство углового шага между модуляционными метками (равно 40 как биение и эксцентриситет), не влияет на время прохождения одной и той же метки от одного таходатчи-. ка до другого, т.е. не влияют на время сдвига последовательностей им пульсов на выходах таходатчиков даже при наличии частотных погрешностей самих таходатчиков б и 8, В установившемся режиме при равномерном вра-. щении двигателя 1, т.е, с постоянной 50угловой скоростью и при совпадении частоты опорных импульсов генератора ;2 (Фиг. 4, к) и импульсов от тахо- датчиков 6 и 8 (Фиг,4, л, м),.имеютместо только паразитные синфазные и 55одинаковые смещения Фазового угла между опорными импульсами и импульсами от каждого из таходатчиков би 8, обусловленные их частотными по.- ;."внешностями. С выхода усилителя 9 импульсы от таходатчика а йостуйают,6 на вход дискриминатора 3, на выходе которого Формируется напряжение (фиг. 4,н), соответствующее фазовомууглу между опорными импульсами и импульсами от таходатчика 8. Импульсы ,65 от таходатчика, б (фиг. 4,л), усиленные усилителем 7 и задержанные блоком 11 задержки на время, равноевремени поворота модулятора с номи-нальной частотой вращения на уголмежду таходатчиками б и 8, поступаютна вход дискриминатора 10 (Фиг. 4,о)одновременно" с усиленными усилителем 9 импульсами от таходатчика 8(фиг. 4, м), поступающими на входдискриминатора 3. В этом случае паразитные изменения выходных напряженийдискриминаторов 3 и 10 (фиг .4,н,п), обусловленные синхронными частотными погрешностями таходатчиков,также являются синфазными и равнымипо величине. Выходное напряжение(фиг, 4,п) дискриминатора 10 поступает на фильтр 12 высших частот, который пропускает только переменнуюсоставляющую напряжения, задерживаяпостоянную составляющую и медленныеизменения напряжения, Переменномунапряжению (Фиг. 4, р) на выходефильтра 12 высших частот, поступающему далее после инвертора 13,насумматор 4, соответствует при равномерном вращении двигателя только паразитное изменение частоты модуляции,обусловленное неточностью изготовления модулятора 16, таких как неравномерность шага, эксцентриситет ибиение. На один вход сумматора 4 поступают сигналы от дискриминатора 3(фиг. 4, н), содержащие как постоянную составляющую, обусловленную уста.новившимся фазовым углом между импульсами генератора 2 и таходатчика8, так и переменную составляющую,обусловленную частотной погрешностьютаходатчика 8. Одновременно на другой вход сумматора 4 поступают сигналы с выхода инвертора 13 (фиг.4,с),содержащие только переменную сбставляющую,обусловленную, частотной погрешностью таходатчика б. Переменныесоставляющие выходных напряжениядискриминатора 3 и инвертора 13 равнымежду собой и поступают на входы сумматора 4 в противофазе, поэтому навыходе сумматора 4 (Фиг, 4, т) имеет место только постоянная составляющаянапряжения, т.е; частотные погрешности таходатчиков б и 8 компенсируются, паразитные изменения управляюТочность компенсации частотныхпогрешностей таходатчиков повышаетсяпри снижении частоты среза фильтра12 высших частот, а скорость устремления к нулю ошибки рассогласованияФактической й номинальной частотвращения, которая возникает, например, в процессе изменения моментанагрузки электродвигателя, увеличи10 1051678 Рых г г иг,д Составитель М. КряхтуноваТехред Т,фанта Корректор С Патрушева едактор Ю. Эаказ 8684/55 Тираж 687 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 3035,. Москва, Ж, РаушсПодписноеомитета СССРоткрытийая наб., д. 4/5 филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная еается при повьвении частоты среза фильтра 12 высших частот.Таким образом, предлагаемое устройство путем изменения управляющего сигнала, подаваемого на электродвигатель, поддерживает стабильной частоту его вращения под воздействием дестабилизирующих.факторов и при наличии частотных погрешностей таходатчиков, характеризуется высокой точностью стабилизации частотывращения электродвигателя, но приболее низких требованиях к точностиизготовления модулятора.Так как в этом устройстве на рав-номерность вращения электродвигателяне оказывает влияние неравномерностьшага модуляционных меток, то для ихнанесения не требуется уникальноепрецизионное оборудование, поэтомуустройство может изготавливаться в10 условиях промышленного производства.