Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ рц 765958(22) Заявлено 1309,78 (21) 2663054/24-07 с присоединением заявки М -Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(53) УДК 621. 313. 2- "58(088,8 Дата опубликования описания 02. 10.80 Р Г 1 Т 5(72) Автор изобретения В.Я.Ткаченко Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно"строительный институт имени В.В.Куйбышева(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Изобретение относится к электроприводам, а именно к электроприводаь 1постоянного тока с двигателями,управление которыми осуществляетсякак изменением напряжения на якоре, так и изменением магнитногопотока и может применяться в электроприводах подъемно-транспортныхмашин, экскаваторов, шахтных подьемных машин, прокатных станов.Известно устройство для определения частоты вращения двигателяпостоянного тока, содержащее датчики магнитного потока и ЭДС дви"гателя и множительно-делительиоеустройство, подключенное к выходамэтих датчиков 11. Недостатком этого устройства является низкая точность определения частоты вращения двитателя при большом диапазоне изменения. магнитного потока дви"гателя, особенно .при управлении.электроприводом сизменением знакамагнитного потока,Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока, со" держащее датчики ЭДС и магнитного потока двигателя, два суммирующих усилителя, подключенный ко входу первого суммирующего усилителя. источник постоянного напряжения, два диода, нелинейный преобразователь, два ключевых элемента и инвертор знака, причем выход датчика магнитного потока двигателя через нелинейный преобразователь подключен ко входу первого суммирующего усилителя, выход которого подключен ко входу второго суммирующего усилителя через первый ключевой элемент и через последовательно соединенные инвертор знака и второй ключевой элемент, а выход датчика ЭДС двигателя подключен ко входу второго суммирующего усилителя и через первый и второй диоды - к управлякщим входам первого и второго ключевых элементов соответственно 2.25 .Недостатком этого устройстваявляется малая точность определения частоты вращения двигателя при большом диапазоне изменения магнитного потока электродвигателя, особенно при одновременном и независимом изменении магнитного потока и напряжения на якоре и в случае управления электроприводом с изменением знака магнитного потока.Цель изобретения - повышение точности определения частоты вращения двигателя постоянного тока,Это достигается тем, что в устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока, содержащее датчики ЭДС и магнитного потока двигателя, два суммирующих усилителя, подключенный ко входу нервого суммирующего усилителя источник постоянного напряжения и два диода, введены блок перемножения, два дополнительных диода и узел формирования знака частоты вращения, а датчики ЭДС и магнитного потока двигателя и второй суммирующий усилитель выполнены с инвертирующим и неинвертирующим выходами, причем неинвертирующий и инвертирующий выходы датчика магнитного потока двигателя через первый и второй диоды подключены ко входу первого суммирующего усилителя, выход которого через блок перемножения, второй вход которого соединен с неинвертирующим выходом второго суммирующего усилителя, подключен к первому входу второго суммирующего усилителя, второй вход которого через третий и четвертый диоды соединен с неинвертирующим и инвертирующим выходами датчика ЭДС двигателя, а выходы второго суммирующего усилителя подключены ко входам узла формирования знака частоты вращения, ко входам задания знака которых подключены выходы датчиков магнитного потока ЭДС двигателя. Узел формирования знака частоты вращения двигателя выполнен в виде блока перемножения, подключенного ко входам задания знака этого узла, двух дополнительных резисторов, четырех соединенных попарно-встречно диодов и дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последова" тельно дополнительный резистор и диод, общие точки между которыми( через третий и четвертый диоды соединены с выходом блока перемножения указанного узла. Повышение точности определения частоты вращения двигателя обеспечивается также тем, что узел формирования знака частоты вращения выцолнен в виде четырех логических элементов И-НЕ, двух дополнительных резисторов, шести диодов и включенного между выходом укаэанного узла и его входами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующим выходами второго суммирующего усилителя, дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод, общая точка которых в цепи первого входа соединена через включенные встречно первомудиоду третий и четвертый диоды с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ, общая точка между дополнительным резистором и диодом в цепи второго входа операционного усилителя соединена черезвключенные встречно второму диодупятый и шестой диоды с выходами третьего и четвертого логических элементов И-НЕ, вход узла формирования знака частоты вращения, соединенный с неинвертирующим выходом датчика ЭдС двигателя( подключен ко входам первого и третьего логических элементов И-НЕ, вход этого узла, соединенный с инвертирующим выходом датчика ЭДС двигателя, под ключен ко входам второго и четвертого логических элементов И-НЕ, вход указанного узла, соединенный с неинвертирующим выходом датчика магнитного потока двигателя, под ключен ко входам второго и третьего логических элементов И-НЕ, а вход этого узла, соединенный с инвертирующим выходом датчика магнитного потока двигателя, подключен ко входам первого и четвертого логических элементов И-НЕ.На фиг, 1 приведена схема устройства для определения частоты вращения двигателя постоянного тока;. на фиг. 2 и 3 - схемы узла формирования знака частоты вращения.Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянноготока содержит датчики ЭДС 1 и магнитного. потока 2 двигателя, два 40 суммирующих усилителя 3 и 4, подключенный ко входу первого суммирующего усилителя 3 источник 5 постоянного напряжения, диоды б, 7,8 и 9, блок перемножения 10, узелП формирования знака частоты. вращения. Датчики ЭДС 1 и магнитногопотока 2 двигателя и второй суммирующий усилитель 4 выполнены с инвертирующим и неинвертирующими выходами, причем неинвертирующий иинвертирующий выходы датчика магнитного потока 2 двигателя черезпервый,б и второй 7 диоды подключены ко входу первого суммирующегоусилителя 3, выход которого черезблок перемножения 10, второй входкоторого соединен с неинвертирующим выходом второго суммирующегоусилителя 4, подключен к первомувходу второго суммирующего усили- Щ) теля 4, второй вход которого черезтретий 8 и четвертый 9 диоды соединен с неинвертирующим и инвертирующим выходами датчика ЭДС 1 двигателя, а выход второго суммирующего усилителя 4 через узел 11 форми 76595850 60 рования знака частоты вращения, ко входам задания знака которого подключены выходы датчиков ЭДС 1 и магнитного потока 2 двигателя, является выходом устройства для определения частоты вращения двигателя.Узел 11 формирования знакачастоты вращения двигателя (см. фиг. 2) выполнен в виде подключенного ко входам задания знака этого узла, соединенными с выходами датчиков ЭДС 1и магнитного потока 2 двигателя блока перемножения 12, двух дополнительных резисторов 13 и 14, четырех диодов 15, 16, 17 и 18 и включенного между выходом узла 11 и его входами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующим выходами второго суммирующего усилителя 4, дополнительного операционного усилителя 19, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод (13 и 15, 14 и 16), общие точки между которыми через третий 17 и четвертый 18 диоды соединены с выходом блока перемножения 12 узла 11.Узел 11 формирования знака частоты вращения (см. фиг. 2, 3) выполнен в виде четырех логических элементовИ-НЕ 20, 21, 22 и 23, двух дополнительных резисторов 24 и 25, шестидиодов 26-31 и включенного междувыходом указанного узла 11 и еговходами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующим выходами второго суммирующего усилителя 4, дополнительного операционного усилителя 32, в цепях каждого из двухвходов которого включены соединенные последовательно дополнительныйрезистор и диод (24 и 26, 25 и 27),общая точка которых в цепи первоговхода соединена через третий 28 ичетвертый 29 диоды с выходами первого 20 и второго 21 логических элементов И-НЕ, общая точка между дополнительным резистором 25 и диодом27 в цепи второго входа операционного усилителя 32 соединена черезпятый 30 и шестой 31 диоды с ныходами третьего 22 и четвертого 23логических элементов И-НЕ,вход узла11 формирования знака частоты вращения, соединенный с неинвертирующим выходом датчика 1 ЭДС двигателя Е,подключен ко входам первого 20 итретьего 22 логических элементовИ-НЕ, вход узла 11, соединенный синвертирующим выходом датчика 1 ЭДСдвигателя Е, подключен ко входамвторого 21 и четвертого 23 логических элементов И-НЕ, вход узла11, соединенный, с неинвертирующимвыходом датчика 2 магнитного потокадвигателя Ф, подключен ко входамвторого 21 и третьего 22 логическихэлементов И-НЕ, а.вход узла 1 Т, соединенный с инвертирующим выходом 5 1 О 15 2 О 25 30 35 40 датчика 2 магнитного потока ф двигателя, подключен ко входам первого 20 и четвертого 23 логических элементов И-НЕ.Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока работает следующим образом,На два входа первого суммирующего усилителя 3 подаются с противоположными знаками напряжение О с выхода источника 5 постоянного напряжения и пропорциональное величи- . не магнитного потока Ф двигателя напряжение К Ф дпФ, где Кф - масштабный коэффициент, постоянстно знака которого обеспечивается подключенными к неиннертирующему и инвертирующему выходам датчика 2 магнитного потока диодами б и 7.,Величина напряжения О выбирается не меньше максимальной величины выходного напряжения датчика 2 маг- нитногЬ потока двигателя, благодаря чему ныходное напряжение первого суммирующего усилителя 3, определяемое ра.зностью О-Кф Ф"ьдпф, всегда имеет постоянный знак, Это напряжение умножается на выходное напряжение второго суммирующего усилителя 4 и поступает с выхода блока перемножения 10 на первый вход второго суммирующего усилителя 4, на второй вход которого поступает пропорциональное ЭДС двигателя Е напряжение -КЕЕ дпЕ, где КЕ - масштабный коэффйциент, постоянство знака которого обеспечивается подключенными к неинвертирующему и инвертирующему выходам датчика 1 ЭДС двигателя диодами 8 и 9.При выборе сопротивлений резисторов в цепи обратной связи и в цепях первого и второго входов второго суммирующего усилителя в соответствии с условиями ГГ КЕСТО г ц го, КцКФКм где К - масштабный коэффициент ча-стоты вращения;К - коэффициент блока перемноМНжения 10;С - конструктивная постояннаяЕдвигателяг г,г - сопротивления резисторов ОГ 1 ф 2в цепи обратной связи, первого и второго входов усилителя соответственно выходное напряжение второго суммирующего усилителя определяется выра- жением Е ВШИЕ ВфпЕвью 4 ж С ф чрф в врф иэ которого следует, что величинарующего усилителя 4 пропорциональна частоте вращения двигателя Ю, азнак этого напряжения отличаетсяот знака частоты вращения двигателявследствие наличия в качестве сомножителя отношения знаков ЭДС и маг.нитного. потока двигателя, т.е. для получения на выходе устройства сигнала, знак которого соответствует знаку частоты вращения двигателя, выходное напряжение второго суммирующего усилителя 4 должно умножаться на величину, обратную укаэанному отношению знаков ЭДС и магнитного потока двигателя в узле формирования знака частоты вращения 11, выполняющем эту функцию.При работе устройства в процессе уменьшения величины магнитного потока ф двигателя, одновременно уменьшается пропорциональное ЭДС Е= =С ф О двигателя напряжение на втором входе второго суммирующего усилителя 4, однако при этом возрастает выходное напряжение первого суммирующего усилителя 3 О-КФ ьдпФ, которое через блок перемножения 10 поступает на первый вход второго суммирующего усилителя 4 с тем же знаком, что и напряжение на его втором входе.,Аналогично при увеличении магнитного потока уменьшается напряжеНие на первом входе второго суммирующего усилителя 4, но возрастает (вследствие увеличения ЭДС)напряжение на его втором входе, т.е. в режимах управления двигателемэлектропривода изменением величинымагнитного потока при конечных значениях частоты вращения двигателяобеспечивается сохранение высокогоуровня суммарного входного сигнала(и сигнала обратной связи) при широком диапазоне изменения магнитного потока, что обеспечивает повышение очности определения частоты вращения двигателя. Изменение знака магнитного потока и ЭДС двигателя не изменяет режима работы второго суммирующего усилителя 4, на выходах которого в любых режимах сохраняются постоянные знаки напряжений (при выполнении схемы устройства в соответствии с фиг. 1)на неинвертирующем выходе этого усилителя сохраняется отрицательное напряжение, пропорциональное величине -а, а на его инвертирующем выходе - положительное напряжение, пропорци- . ональное величине + М.При уменьшении величины магнитного потока двигателя, когда частота вращения двигателя определяется отношением уменьшающихся значений ЭДС и магнитного потока и возрастает влияние погрешности работы элементов схемы.на относительную ошибкуопределения частоты вращения, поступающее с выхода первого суммирующе 15 20 25 30 40 45 50 55 60 го усилителя 3 на вход блока перемножения 10 напряжение О-Кф фздп ф увеличивается, а в зоне большихзначений входных напряжений блокаперемножения 10 уменьшается относи-тельная ошибка перемножения сигналов, что способствует повышению точности определения частоты вращениядвигателя. При увеличении величинымагнитного потока выходное напряжение первого суммирующего усилителя3, поступающее на вход блока перемножения 10, уменьшается, однако при этом уменьшается влияние точности работы блока перемножения 10 на точность определения частоты вращения, так как уменьшается величина выходного сигнала блока перемножения 10, поступающего на первый вход второго суммирующего усилителя 4, по сравнению с одновременно возрастающим сигналом на втором входе второго суммирующего усилителя, пропорциональным увеличивающейся ЭДС двигателя, вследствие чего уменьшается влияние выходнбго сигнала блока перемножения 10 на суммарную величину входных сигналов второго суммирующего усилителя, определяющую пропорциональное частоте вращения выходное напряжение этого суммирующего усилителя 4. Таким образом, обеспечиваемый, в предложенном устройстве режим работы блока перемножения 10 способствует повышению точности определения частоты вращения двигателя при широком диапазоне изменения магнитного потока.При наличии высокочастотных помех их влияние,.на работу устройства может быть уменьшено до допустимого значения включением конденсатора в цепь обратной связи второго суммирующего усилителя 4.Выполнение узла П формирования знака частоты вращения по схеме, приведенной на фиг. 2, позволяет исключить нелинейный аналоговый преобразователь из канала прохождения определяемого сигнала и этим исключить влияние нестабильности его характеристики на точность определения частоты вращения. При одинаковых знаках ЭДС и магнитного потока двигателя знак выходного напряжения блока перемножения. 12 положителен. При этом диод 17 открыт и положительный потенциал на его катоде запирает диод 15. Диод 18 запирается положительным потенциалом на выходе блока перемножения 12, а положительное напряжение с инвертирующего выхода второго суммирующего усилителя 4 через диод 16 поступает на вход операционного усилителя 19, выходное на-, пряжение которого,пропорциональное частоте вращения двигателя, имеетотрицательный знак. При разных зна" ках ЭДС и магнитного потока двигателя выходное напряжение блока перемножения 12 имеет отрицательный знак. При этом диод 18 открывается и отрицательным потенциалом на своем аноде запирает диод 16, а диод 17 запирается отрицательным потенциалом на выходе блока перемножения 12, благодаря чему отрйцательное на-, пряжение с неинвертирующего выхода второго суммирующего усилителя 4 через диод 15 поступает на вход операционного усилителя 19, выходное напряжение которого будет при этом пропорционально частоте вращения двигателя с положительным знаком. При выполнении узла 11 в соответствии с фиг, 2 одинаковым знакам ЭДС и магнитного потока двигателя (т.е. одному определенному знаку частоты вращения двигателя) соответствует отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя 19, а следовательно, и на выходах узла 11 и устройства в целом, а разным знакам ЭДС и магнитного потока двигателя (т.е. другому определенному знаку частоты вращения двигателя) соответствует положительное напряжение на указанных выходах. В случае необходимости знаки выходного сигнала легко изменить на обратные, если один из входов блока перемножения 12 подключить не к неинвертирующему, а к инвертирующему выходу датчика 1 ЭДС или датчика 2 магнитного потока двигателя.Выполнение узла 11 формирования знака частоты вращения согласно фиг. 3 позволяет полностью исключить необходимость применения нелинейных аналоговых преобразователей. Работа логических элементов И-НЕ 20, 21, 22 и 23 определяется тем, что при одинаковых знаках ЭДС и магнитного потока двигателя знаки сигналов на неинвертирующих выходах датчиков 1 ЭДС и 2 магнитного потока двигателя одинаковы, а знаки сигналов на их инвертирующих выходах противоположны предыдущим и одинаковы между собой. С другой стороны, прн разных знаках ЭДС и магнитного потока двигателя знак сигнала на неинвертирующем выходе датчика 1 ЭДС двигателя совпадает со знаком сигнала на инвертирующем выходе датчика 2 магнитного потока двигателя, а знак сигнала на инвертирующем выходе датчика 1 ЭДС двигателя совпадает со знаком сигнала на неинвертирующем выходе датчика 2 магнитного потока двигателя и противоположен знаку предыдущих сигналов. При одинаковых знаках ЭДС и магнитного потока двигателя формируемые при этом отрицательные потенциалы на выходах первоо 20 и вто- рого 21 логических элементов И-,НЕпает на вход операционного усилителя 32 через диод 27, обеспечивая отрицательный знак выходного сигнала операционного усилителя 32, узла 11 и устройства в целом, что соответствует противоположному по сравнению с предыдущим случаем направлению вращения двигателя.Таким образом, предложенное устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного обеспечивает повышение точности определения этой частоты вращения при широком диапазоне изменения магнитного потока двигателя и в отличие от известного устройства может применяться как в электропрнводах с двухзонным" регулированием, так и в электроприводах с реверсированием двигателя изменением знака магнитного потока, например в электроприводах подъемно-траспортных машин, экскаваторов, шахтных подьемных машин, прокатных станов. 25 ЗО 35 40 Формула изобретения 1. Устройство для определения частоты вращения двигателя постоянного тока, содержащее датчики ЭДС и магнитного. потока двигателя, два суммирующих усилителя, два диода и подключенный ко входу первого суммирующего усилителя источник постоянного напряжения, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения частоты вращения двигателя, в него введены блок перемножения, два допол. нительных диода и узел формирования, знака частоты вращения, а датчики ЭДС и магнитного потока двигателя и второй суммирующий усилитель выполнены с инвертирующим и неинвертирующимвыходами, причем выходы датчика магнитного потока двигателя через первый и второй циоды подключены ко 50 55 60 запирают диоды 28 и 29, благодаря чему отрицательное напряжение с неинвертирующего выхода второго суммирующего усилителя 4 через диод 26 поступает на вход операционного усиэ.лителя 32, выходное напряжение которого, пропорциональное частоте вращения двигателя, поступает на выхо" ды узла 11 и всего устройства с положительным знаком, соответствующим определенному направлению вращения двигателя (диод 27 при этом заперт отрицательным потенциалом на его аноде, поступающим через открытые диоды 30 и 31).При разных знаках ЭДС и магнит ного потока двигателя схема работа"ет аналогично, но запираются диоды 30 и 31, а положительное напряжение с инвертирующего выхода второго суммирующего усилителя 4 постувходу первого суммирующего усилителя, выход которого через блок перемножения, второй вход которого соединен с неинвертирующим выходом второго суммирующего усилителя, подключен к первому входу второго суммирующего усилителя, второй вход которого через третий и четвертый диоды соединен с выходами датчика ЭДС двигателя, а выходы второго суммирующего усилителя подключены ко входам узла формирования знака частоты вращения, входы задания знака которого подключены к выходам датчиков ЭДС и магнитного потока двигателя.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что узел фор" мирования знака частоты вращения двигателя выполнен в виде блока перемножения, подключенного ко входам задания знака этого узла, двух дополнительных резисторов, четырех соединенных; попарно-встречно диодов, дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого включены соединенные последовательно дополнительный резистор и диод, общие точки между которыми через третий и четвертый диоды соединены с выходом блока перемножения укаэанного узла.3, Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что узел формирования знака частоты вращения выполнен в виде четырех логических элементов И-НЕ, двух дополнительных резисторов, шести диодов и включенного между выходом указанного узла и его входами, соединенными с неинвертирующим и инвертирующим выходами второго суммирующего уси-лителя, дополнительного операционного усилителя, в цепях каждого из двух входов которого включенысоединенныеф последовательно допол"нительный.резистор и диод, общаяточка которых в цепи первого входасоединена через включенные встречно первому диоду третий и четвертый диоды с выходами первого и второго логических элементов И-НЕ,общая точка между дополнительнымрезистором и диодом в цепи второговхода операционного усилителя соединена через включенные встречно второму диоду пятый и шестой диоды свыходами третьего и четвертого логических элементов И-НЕ, вход узлаформирования знака частоты враще ния, соединенный с неинвертирующимвыходом датчика ЭДС двигателя, под"ключен ко входам первого и третьегологических элементов И-НЕ, входфтого узла, соединенный с инверти О .дующим выходом датчика ЭДС двигателя, подключен ко входам второгои четвертого логических элементовИ НЕ, вход указанного узла, соединен.ный с неинвертирующим выходом дат-чика магнитного потока двигателя,подключен ко входам второго и третьего логических элементов И-НЕ, а входэтого узла, соединенный с инвертирующим выходом датчика магнитного потока двигателя, подключен ко входампервого и четвертого логических элементов И-НЕ. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Гарнов В.К. и др. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии. М.,Металлургия, 1971, с, 182,2. Авторское свидетельство СССР40 по заявке Р 2346342/07,кл. Н 02 Р 5/00, 197 б.765958 Фиг,7 кмаф 24 5 1 ирайВНИИПИ Государственного кадитепо делам иэобретений и откры113035, Москва,аказ ПодпнснССР Ж"35, Раущская наб., д. 4агород, ул. Проектная,лнал ППП Патен Составитель В.КузнецоваРедактор В.ФЕлъдман ТехредМ, Левицкая . Коррек