Система регулирования частоты вращения

(51) О 05 01 ЗОБ РЕТ ПИСАН ЕЛЬСТ РСКОМУ СВ.8 ко ви аф И.Е. и Лебеде тели .постоянн 1979, с. 130,И.И,о ско о и рис. 71-1 2. Авт 9 505996,3, Авт р 479082,тотип).рское.св кл. 0 0 рское св л. с 05 т проГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ 656656/24-247.10.833.01.85. Вюл. Р 3(54)(57) СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ, содержашая последовтельно соединенные задатчик, первысумматор, первый входной блок реверсора, реверсор, объект регулирования и датчик регулируемой величиныпоследователь но соеди не н ные второйматор и второй входной блок реверсорвыходом соеди ненный с вторым входомреверсора, о т л и ч а ю щ а я стем, что, с целью повышения точноссистемы, в ней установлены выпрямитель и инвертор, входом соединенныйс выхбдом задатчика, а выходом - спервым входом второго сумматора, врым входом соединенного с вторымвходом первого сумматора и выходомвыпрямителя, входом соединенного свыходом датчика регулируемой величины.Изобретение относится к скоростным следящим системам, например ксистемам регулирования частоты вращения вала электродвигателя с установленной на нем нагрузкой.Известна система регулирования 5частоты вращения, содержащая последовательно соединенные задатчик-,блок управления, объект управления,т.е. электродвигатель с нагрузкойна валу) и датчик регулируемой величины т,е. тахогенератор), выходомсоединенный с вторым входом блока управления 1 .Известна также система регулирования частоты вращения, содержащая 5последовательно соединенные задатчик,сумматор, первый входной блок реверсора, реверсор, исполнительныймеханизм, объект регулирования идачтик регулируемой величины, выходом соединенный с вторым входом сумматора, выход которого через второйвходной блок реверсора соединен свторым входом реверсора 2) .Недостатком таких систем является их низкая точность,Из известных систем наиболее близкой по технической сущности является система регулирования частотывращения, содержащая последовательносоединенные задатчик, первый сумматор, первый входной блок реверсора,реверсор, объект регулирования, датчик регулируемой величины, второйсумматор и второй входной блок реверсора, выходом соединенный с вторым 35входом реверсора, второй вход первого сумматора подключен к выходудатчика регулируемой величины, второй вход второго сумматора подключен к выходу эадатчика Я .40Недостатком известной системы является ее низкая точность.Цель изобретения - повышение точности системы,Поставленная цель достигаетсятем, что в систеМе регулирования частоты вращения, содержащей последовательно соединенные задатчик, первый.сумматор, первый входной блок реверсора, реверсор, объект регулирования и датчик регулируемой величиныи последовательно соединенные второй сумматор и второй входной блокреверсора, выходом соединенный свторым входом реверсора, дополнительно установлены выпрямитель и инвертор, входом соединенный с выходом эадатчика, а выходом - с первымвходом второго сумматора, вторымвходом соединенного с вторым входомпервого сумматора и выходом выпрями" ООтеля, входом соединенного с выходомдатчика регулируемой величины.На фиг.1 показана структурная.схема системы, на фиг.2 - диаграммы,поясняющие работу системы при сину- у соидальном задающем сигнале; на фиг.З - принципиальная электрическая схема системы.Система содержит первый и второй сумматоры 1 и 2, инвертор 3, первый и второй входные блоки 4 и 5 реверсора, реверсор б, объект регулирования 7, датчик 8 регулируемой величины, выпрямитель 9, задатчик 10, резисторы 11-17, операционные усилители 18 и 19, резисторы 20 и 21,стабилитроны 22 и 23, резисторы 24-29, транзисторы 30 и 31, резисторы 32- 37, транзисторы 38 и 39, диодные мосты 40 и 41, обмотки трансформатора 42 и 43, трансформатор 44, транзисторы 45 и 46, диод 47, резистор 48, обмотки трансформатора 49 и 50, диоды 51 и 52, конденсатор 53, резистор 54, дроссели 55-58, ротор 59 датчика положения ротора бесконтактного двигателя постоянного тока 59, трансформаторы 60 и 61, транзисторы 62 и 63 диоды 64 и 65, диодные мосты бб и 67, конденсаторы 68 и 69, резисторы 70-73, диоды 74-77, транзисторы 78-81, секции 82-85 якорной обмотки бесконтактного двигателя псстоянного тока, ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока, ротор 87 тахогенератора, обмотки 88 тахогенератора, резистор 89, источник 90 питания, диоды 91 - 96. 0; выходной сигнал -го функционального блока.Объектом 7 регулирования предлагаемой системы является бесконтактный двигатель постоянного тока с сек. циями 82-85 якорной обмотки, ротором 86 и нагрузкой (не показана), кинематически связанной с ротором 86Первый и второй входные блоки 4 и 5 реверсора функционально выполняют роль преобразователей, согласующих выходы сумматоров 1 и 2 и входов реверсора б, В качестве входных блоков 4 и 5 реверсора могут быть использованы, например, усилителиРеверсор б представляет собой импульсный блок, на выходе которого появляются импульсные сигналы, в то время когда выходные сигналы сумматоров 1 и 2 положительны, Знак импульсного сигнала реверсора б определяется в зависимости от входа, на который подан положительный сигнал сумматора 1 или 2), При подаче сигнала на первый вход реверсора б ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока вращается в одну сторону, а при подаче сигнала на второй вход реверсора б - в другую.Техническую реализацию системы можно осуществить, например, с помощью двух операционных усилителей, входы которых через резисторы соответствующим образом соединены междусобой, а к выходам этих усилителейподключаются бесконтактные реле, коммутирующие, например включенные впротивофазе, питающие обмотки индуктивности датчика положения ротораФазового типа.На фиг.З приведена принципиальная электрическая схема, реализующая укаэанным образом структурнуюсхему системы, изображенную на фиг,1,в которой в качестве объекта регулирования использован бесконтактныйдвигатель постоянного тока с индуктивным датчиком положения ротора фазового типа.Функции первого и второго сумматоров 1 и 2 и инвертора 3 выполняютоперационные усилители 18 и 19, нанеинвертирующие входы которых черезрезисторы 89 и 13 поступает сигналс выхода задатчика 10, а на инвертирующие - через резисторы 11 и 12сигнал с выхода выпрямителя 9, пропорциональный частоте вращения ротора 86. Входы операционных усилителей 18 и 19 соединены межцу собойчерез резисторы 14 - 17. Резисторы 20и 21 образуют местную отрицательнуюобратную связь в операционных усилителях 18 и 19. Напряжение питанияс выхода источника 90 питания опе рационных усилителей 18 и 19 стабилизировано стабилитронами 22 и 23,образующими источник со средней точкой. Стабилитрон 22 питается напряжением выходных обмоток 49 и 50 высокочастотного генератора, т.е. генератора Роера, собранного на трансформаторе 44, транзисторах 45 и 46,диоде 47 и резисторе 48. Напряжениеобмоток 49 и 50 выпрямлено диодами 51 и 52 и сглажено 1" -Фильтром,содержащим конденсатор 53 и резистор 54. Стабилитрон 23 питается отисточника 90 питания постоянного тока через резистор 26. Выходыоперационных усилителей 18 и 19 через ре-зисторы 24, 25,. 27, 28 и 29 подсоединены к входам бесконтактных ключей, первый из которых собран натранзисторах 30 и 38 и резисторах 32,33 и 36, а второй - на транзисто -рах-. 31 и 39 и резисторах 34, 35 и37, Операционные усилители 18 и 19и подключенные к их выходам соответственно первый и второй бесконтактные ключи выполняют функции первогои второго входных блоков 4 и 5 реверсора. Первый и второй бесконтактные ключи управляют работой диодныхмостов 40 и 41 соответственно, кзажимам по переменному току которыхподсоединены включенные в противофазе вторичные обмотки 42 и 43 трансформатора 44 генератора Роера. Диодные мосты 40 и 41 совместно с обмотками 42 и 43 выполняют функции реверсора б,Обмотки 42 и 43 являются питающи.ми обмотками индуктивного датчикаположения ротора, содержащего чувствительные элементы - дроссели 5558 насыщения, согласующие трансфор маторы 60 и 61 и два усилителя-демодулятора, один из которых состоит иэтранзистора 62, диода 64 и диодногомоста 66, а другой - иэ транзистора 63, диода 65 и диодного моста 67.10 Дроссели 55 - 58 подключены к первичным обмоткам согласующих трансформаторов 60 и 61, вторичные обмоткикоторых подключены на входы указан. -ных усилителей-демодуляторов. Питание транзисторов 62 и 63 указанныхусилителей-демодуляторов осуществляется через диодные мосты 66 и 67 отвторичных обмоток трансформатора 44генератора Роера. Выходное напряжение датчика положения ротора с конденсаторов 68 и 69 через резисторы 70 - 73 подается на управляющиевходы силовых транзисторных ключей,выполненных на транзисторах 78 - 81через которые подключены к зажимамисточника 90 питания секции 82 - 85якорной обмотки бесконтактного двигателя постоянного тока. Диоды 74,75, 67. и 77 служат для обеспеченияпротекания тока по управляющим цепям З 0 открытых силовых ключей и для создания запирающего смещения, на входахзакрытых ключей.Ротор 86 бескентактного двигателя постоянного тока выполнен в виде 35 постоянного магнита цилиндрическойформы. На одном валу с ротором 86бесконтактного двигателя постоянного тока расположены выполненные также в виде постоянных магнитов ро тор 59 датчика положения ротора иротор 87 синхронного тахогенератора,выполняющего Функцию датчика 8 регулируемой величины. Ротор синхронного тахогенератора выполнен в виде"звездочки" с тремя парами полюсов.Трехфазная обмотка 88 тахогенератора соединена звездой и подключена квыпрямителю 9, диоды 91 - 96 которого соединены по схеме лариьнова,Выход выпрямителя 9 через резисто ры 11 и 12 подключен к инвертирующим входам операционных усилителей 18 и 19.Согласно структурной схеме системы фиг,1 выходной сигнал 1, за датчика 10 поступает на первый входпервого сумматора 1 и через инвертор 3 - на первый вход второго сумматора 2. Сигналы 5, и О с выходов сумматоров 1 и 2 через входные 60 блоки 4 и 5 реверсора поступают соответственно на первый и второй входы реверсора б, выход которого соединен с входами объекта 7 регулирования, роль которого выполняет бес-.65 контактный двигатель постоянного то 1136107ка с нагрузкой на валу, частота вращения которого измеряется датчиком 8 регулируемой величины, роль которого выполняет тахогенератор, выходы которого через выпрямитель 9 соединены с вторыми входами. сумматоров 1 и 2, 5Система (фиг.1 работает следующим образом.При подаче с выхода захватчика 10 сигнала О,р, например, положительной полярност входной блок 5 реверсора 10 запирается, а на выходе входного блока 4 реверсора появляется сигнал, который поступает на первый вход реверсора 6. Так как коэффициент уси ления прямого канала большой, то объект 7 регулирования начинает разгоняться по естественной характеристике. Сигнал, пропорциональный частоте вращения Объекта 7 регулирования, с выхода датчика 8 регулируемой величины через выпрямитель 9 поступает на входы сумматоров 1 и 2 (сигнал 0, Фиг,1) . При достижении равенства задающего сигнала 01 О и сигнала обратной связи 1 сигнал на выходе выходного блока 4 реверсора становится равным нулю,и реверсор 6 отключает объект 7 регулирования от сигнала управления ц 4 (или 0). Скорость объекта 7 регулирования начинает снижаться. Сигнал 0 на выходе выпрямителя 9 уменьшается. Под действием сигнала управления Ц 4 (или Ч объект 7 регулирования снова разгоняется. В установившемся движении система работает в автоколебательном 35 режиме. Частота автоколебаний и ширина зоны гистерезиса частоты вращения определяется порогом чувствительности входных блоков 4 и 5 реверсора и сумматоров 1 и 2, их коэФ О фициентами передачи и видом объекта 7 регулирования, т,е. нагрузкой на выходном валу системы. Уровень средней частоты вращения объекта 7 регулирования определяется величиной задающего сигнала П . При смене знака задающего сигнала П, входнойблок 4 реверсора запирается,а на выходе входного блока 5 реверсора появляется сигнал, поступающий на второй вход реверсора 6, который подает сигнал управления Б 6 на Объект регулирования.На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу системы при синусоидальном задающем сигнале.На Фиг.2 представлена диаграмма задающего сигнала 1;, на Фиг.2- диаграмма сигнала обратной связи П отстающего по Фазе от задающего сиг О нала на угол на Фиг.28"- диаграммы сигналов П и П на выходах первого и второго сумматоров 1 и 2, при этом( Цр 04 ф 1 10 91 65 на фиг.2 представлена диаграмма управляющего сигнала на входе объекта 7 регулирования.Управляющий сигнал П подается на объект 7 регулирования в промежутки времени ,-1 и С -4,4, когДа сигналы 0 .и У положительны. При в промежутке 1 -1 объект 7 регулиро. вания подключается для вращения в одногл направлении, а в промежутке С -в противоположном. Первая гармоника управляющего сигнала П; (на фиг. 2показана пунктиром ) опережает по Фазе задающий сигнал на уголчто является положительным качеством предлагаемой системы, повышающим ее быстродействие. Указанное обстоятельство, а также отсутствие в цепи обратной связи системы релейных элементов, обладающих гистерезисом и вносящих. запаздывание, позволяет исключить корректирующие звенья, необходимые для устранения эапаздыванияаСхема (оиг.З) работает следующим образом.При отсутствии задающего напряжения Пр на входе системы на выходе операционных усилителей 18 и 19 существует напряжение, запирающее оба бесконтактных ключа. Диодные мосты 40 и 41 заперты по постоянному току. Датчик положения ротора отключен от питающих обмоток 42 и 43. Силовые транзисторные ключи 79 - 81 заперты. Секции якорных обмоток 82 - 85 отключены от источника 90 питания, и ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока неподвижен.При появлении задающего напряжения ПЮ, например, полярности, указанной на фиг.З беэ скобок, на выходе операционного усилителя 18 появляется положительное напряжение, открывающее первый бесконтактный ключ (транзисторы 33 и 38), а отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя .19 еще больше запирает второй бесконтактный ключ (транзисторы 31 и 39 . Диодный мост 40 от крывается. Чувствительные элементы - дроссели 55 - 58 датчика положения ротора подключаются к обмотке 42. Напряжение датчика положения ротора коммутирует силовые ключи 78 - 81. Секции 82 - 85 якорной обмотки бесконтактного двигателя постоянного тока поочередно подключаются к источнику 90 питания, и ротор 86 бесконтактного двигателя постоянного тока приходит во вращение.На выходе выпрямителя 9, подключенного к трехфазной обмотке 88 тахогенератора, появляется напряжение, величина которого пропорциональна частоте вращения ротора 86 бесконтактного двигателя постоянного тока. Это напряжение поступает на инвер1136107рощеыию системы способствует такжеисключение из цепей обратной связирелейных элементов, имеющих зонугистерезиса и усложняющих настройкусистемы.Применениеуказанной структурнойсхемы в позиционной следящей системе также позволит повысить точностьее рабОты, так как сигналом управления в таких системах является сигналошибки - угол рассогласования междувходной и выходной осями. Снижениезоны нечувствительности прямого канала приводит к уменьшению ошибкирассогласования,Очевидно, что показателем точности работы следящей системы являетсядиапазон регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя постоянного тока, так как минимальнаячастота вращения объекта регулирования определяется наименьшим задающимсигналом, который отрабатывает система.Нри испытаниях макетного образцасистемы с серийным бесконтактнымдвигателем постоянного тока типаДБ 50-10-4, имеющим номинальные мощность и частоту вращения соответственно 10 Вт и 4000 об/мин, минимальная частота вращения объекта регулирования составила около 6 об/минпри номинальном моменте, нагрузки навалу двигателя, равном 2,2 Н см.При испытании системы, построеннойпо известной схеме с тем ее двигателем и при тех же условиях минимальная частота вращения объекта регулирования составила примерно 21 об/мин.Диапазон регулирования частоты составил в первом случае примерно 667,а во втором - примерно 190,5, т.е.примерно в три раза больше.Таким образом, в предложенной системе примерно в 3,5 раза повышаетсяточность, так как исключены из прямого канала преобразующие устройства, имеющие зону нечувствительности,и из цепей коррекции исключены релей.ные элементы, обладающие зоной гистерезиса. Исключение указанных элементов из системы, кроме того, упрощает ее техническую реализацию и настройку.4/34 Тираж 863ВНИИПИ Государствпо делам иэобр 113035, Москва, ЖФиг,5ладковКорректор С,Шекмар Подписноеного комитета СССРений и открытийРаушская наб., д, 4/