Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК179773 1)5 Н 03 В 27/00 ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТ испро 1(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро прецизионного оборудования "Вектор"(56) Авторское свидетельство СССР М 1543534,кл. Н 03 В 27/ОО, 1987.(54) ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТРЕХФАЗНЫХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (57) Использование: в электротехнике, измерительной технике, в частности в системе управления злектропривода. Сущность изобретения: цифровой генератор трехфазных зобретение относится к электротехнизмерительной технике и может бытььзовано в системе управления электи вода. Известен цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, который содержит блок управления, генератор переменной частоты,.реверсивный счетчик, первый и второй блок постоянного запоминания, первый и второй цифроаналогЬвыепреобразователи, первый, второй и третий сумматоры и управляемый источник опорного напряжения.Этот генератор обеспечивает высокое качество синусоидальной формы сигнала в диапазоне от долей до сотен килогерц и синусоидальных сигналов содержит формирователь управляющих сигналов, который выполняет функцию блока управления, управляемый генератор переменной частоты, реверсивный счетчик, блоки постоянного запоминания, цифроаналоговые преобразователи, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, управляемые источники опорного напряжения, блок коррекции амплитуды. Цель изобретения - уменьшение нелинейных искажений выходных. сигналов - достигается за счет использования результатов математического преобразования векторов иэ исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симмет. ричную трехфазную систему, 4 ил,юй стабильность сдвига фаз выходного напряжения.Однако недостатком известного генера- о тора является отсутствие воэможности регу лировки фазы выходного напряжения. На 4 практике такая возможность требуется до- (фЭ вольно часто, например, в высокодинамич-Я ных асинхронных электроприводах с векторной системой управления, где изменение момента, развиваемого асинхронным двигателем, производится за счет изменения угла между вектором потокосцепления ротора и обобщенным вектором тока статора. Пространственное положение этого вектора зависит от фазы выходного трехфазного напряжения преобразователя частоты, задаваемой фазой выходного нап ряжения генератора трехфазных синусоидальных сигналов системы управления электропривода,Известен цифровой генератор трехфазных аинусоидальных сигналов, содержащий последовательно соединенные генератор переменной частоты, вход управления которого соединен с первым выходом блока управления, реверсивный счетчик, первый блок постоянного запоминания, первый цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянного,запоминания, вход которого соединен с выходом реверсивногосчетчика, второй цифроаналоговый преобразователь и второй сумматор, а также третий сумматор, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с входом управления реверсивного счетчика и входом управления первого управляемого источника опорного напряжения, вход которого соединен с входами опорного напряжения первого и второго цифроаналоговых преобразователей и с другими входами первого и второго сумматоров. Первый инвертор, вход которого соединен с выходом вторОГО сумматора, четвертый сумматор и второй инвертор, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, последовательно соединенные третий цифроаналоговмй преобразователь и пятый сумматор, выход которого соединен с первым входом шестого сумматора и другим входом четвертого сумматора, последовательно соединенныв четвертый цифроаналоговый преобраэователь и седьмой сумматор. Эмход которого соединен с вторым входом шестого сумматора, а также второй управляемый источник опорного напряжения. Вход которого соединен с четвертым выходом блока управления.Выход первого сумматоре соединен с третьим входом шестого сумматора, выход перво. Го ийвертора соединен с четвертым входОМ шестого сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьегО сумматоре, выход первого блока постоянного запоминания соединен с входом третьеГО цироэнвлоговогопреобразователя,выходвторого блокапостояййогозэпоминэйиясоедийейс входом четвертого цифроаналогового преобразователявыход второго управляемого источника опорйогО напряжения соединен с Входами опорйОГО напряжения треТьвго и четвертого цифроаналоговых преобразователей и с другими входами пятого и седьмого сумматоров, е выходы второго инверторв и шестого сумматора является соответственно первым и вторым выходами цифрового генератора трвхфазных синусоидальных сигналов, Выход второго управляемого источника опорного напряжения соединен свходами опорного напряжения третьего ичетвертого цифроаналоговых преобразова 5 телей и с другими входами пятого и седьмого сумматоров через блок коррекцииамплитуды, другой вход которого соедйненс выходом первого управляемого источникаопорного напряжения,1 О Этот генератор обеспечивает возможность плавной регулировки фазы выходногонапряжения в широком диапазоне и стабилизацию амплитуды выходного напряженияпри регулировке фаэм,15 Однако недостатком известного генератора являются повыш 6 йнме йелинейнмв ис"кэжения Формы выходного напряжениягенераторе.Повышенные нелинейные исквжения20 синусоидэльной 4 юрмм выходного напряжения генератора обусловлены тем, что эблоках постоянного запоминания записывается информация о синусоидальнмх сигналах, имеющих постоянную25 составляющую, равную амплитуде синусоидэльного сиГнэлэ Наличие зтбй составляющей приводит к тому, что изменениювмходного напряжения от нуля до авалитудйого значения соответствует 2 комбиЗО наций (квантований амплитуды по уровню),где в - число выходов блоке постоянногозапоминания, т,е. в 2 раза меньше, чем МОжет быть обеспечено при более рациональном использовании разрядности выходногоЭб кода блоков постоянного запоминания.уменьшение числа квантований выходного напряжения Генераторе по уровню приводит к увеличению шэгэ квантования, т,в, к уменьшению нелинейных искажений синусоидэльной формы этого напряжения.Таким обрезом, целью предлагаемогоизобретения является уменьшение нелинейных искажений Формы выходного напряжения генератора трехфвзных синусоидальных сиГнэлов,Поставленная цель достигается тем, чтов генератор введен элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к вмходам (й-го и и"го старших разрядов И - разрядно.го выхода реверсивного счетчика, а выход которого подключен к входам старших разрядов первого и второго цифроаналоговых преобразователей, при этом выход третьего сумматора соединен с одним из входов первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с одним из входов третьего сумматора. входы старших разрядов третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей подключены к выходу И-огоПолагая заданнымиво вращающейся систеветстаующие им значенсистеме координат+1;+дуюшими выражениями составляющие Х иУ ме координат, соотия в неподвижной определяются сле 1) О+1 = Осозв 1 2) О +) = Оу 3 Пй) 1 разряда И-разрядного реверсивного счетчика, выход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов первого сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров являются 5 выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.На фиг.1 изображена функциональная электрическая схема генератора; на фиг.2 и 3 - соответственно векторные диаграммы и 10 эпюры напряжений, поясняющие работу генератора; на фиг,4- вариант практической реализации блока управления.. Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов содержит последова тельно соединенные блок 1 управления, генератор 2 переменной частоты и реверсивный счетчик 3, вход управления направлением счета которого подключен к второму выходу блока 1 управления. К выходу ревер сивного счетчика 3 подключены блоки 4 и 5 постоянного запоминания. К выходу блока 4 постоянного запоминания подключены последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь 6 и сумматор 7, а 25 также цифроаналоговый преобразователь 8 и сумматор 9, К выходу блока 5 постоянного запоминания подключены последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь 10 и сумматор 11, а также цифроана логовый преобразователь 12. Выходы старших разрядов М, йреверсивного счетчика 3 соединены соответственно с первым и вторым входами логического элемента исключающее ИЛИ 13, Первый вход 35 логического элемента исключающее ИЛИ 13 соединен с входами старших разрядов цифроаналоговых преобразователей 10,12, а выход соединен с старшими разрядами цифроаналоговых преобразователей. 6; 8, 40 Третий выход блока 1 управления соединен с входом управляемого источника 14 опорного напряжения; выход которого подключен к опорным входам цифроаналоговых преобразователей 6, 10 и вторым входам 45 сумматоров 7, 11. Четвертый выход блока 1 управления соединен через управляемый источник 15 опорного напряжения с первым входом блока 16 коррекции амплитуды, второй вход которого подключен к выходу уп равляемого источника 14 опорного напряжения, а выход - к опорным входам цифроаналоговых преобразователей 8, 12, четвертому и второму входам сумматоров 7 и 9, соответственно. Третий вход сумматора 55 7 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 12. Выход сумматора 11 соединен с третьим входом сумматора 9, выход которого соединен с первым и пятым входами сумматоров 17 и 7 соответственно. Выход сумматора 7 соединен со вторым входом сумматора 17. Выходы сумматоров 7, 9 и 17 являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов.Реализация предлагаемого генератора основана на использовании результатов математического преобразования векторов из исходной вращающейся прямоугольной системы координат в неподвижную симметричную трехфазную систему, Принципы двухфазно-трехфазного преобразования переменных заключаются в следующем (3,4). Синусоидально изменяющееся во времени напряжение изображается (3) на неподвижной комплексной плоскости + 1; + в виде вращающегося вектораЧ, 11 асм.фиг,2 а), Проекция этого вектора на ось+1 равна Чн -Чпсоза, проекция на ось + ) равна Ч+1- -Чзпа; где Ч и - модуль напряжения; а- в т + ф- угол между вектором Ч и осью +1, отсчитываемый в направлении против движения часовой стрелки; в- угловая частота;ф - начальная фаза. За время, равное периоду изменения напряжения, вектор совершает на комплексной плоскости+1; +) один оборот,Если йринято ф= О, то в начальный моментгд 1 - 0 вектор будет направлен по оси +1,Введем еще одну прямоугольную систему координат ХУ, вращающуюся в пространстве синхронно с вектором напряжения (см,фиг.26), причем в момент времени Ок = О направление оси У совпадает с направлением вектора напряжения, т.е. его проекция на ось У Чу=Чу, проекция на ось Х 0 = О. При Х изменение амплитуды Оу приводит лишь к изменениям амплитуды вектора напряжения. Изменение составляющей Ох при Оу сопз 1 приводит к изменению как амплитуды, так и положения результирующего вектора напряжения на плоскости ХУ, а следовательно и его начальной аэы на плоскости +1; + ), причем Чв= Ох +ОвПри совмещении оси трехфаэной системы с осью+1 неподвижной прямоугольной системы координат+ 1;+): -(1/го+ /3 /2 О+.Подставляя в 3 - 5 значения О+ 1 и О+) иэ 1, 2 получаем расчетные выражения для напряжений Оа, Ов, Ос через проекции О Оу вектора во вращающейся прямоугольной системе координат ХУ:(8) Ос = -Л /2 (-Оу соз ел+ Ох з 1 п м)- -Л/2 (Ох соз ся+ Оу з 1 п м);Уравнения 6-8 определяют тип блоков и значения коэффициентов передачи по входам сумматоров, необходимых при практической реализации выходной части цифрового генератора трехфаэных синусоидальных сигналов, осуществляющей двухфаэно-трехфаэное преобразование сигналов Ох, Оу в сигналы Оа, 1 в, Ос.Цифровой генератор работает следующим образом.На первом выходе блока 1 управления вырабатывается сигнал управления частотой генератора 2 переменной частоты, с выхода которого периодическая последовательность импульсов поступает на счетный вход реверсивного счетчика 3. Сигнал управления направлением счета реверсивного счетчика 3 поступает с второго выхода блока 1 управления,На третьем выходе блока 1 управления вырабатывается сигнал управления амплитудой выходного напряжения генератора, на четвертом выходе формируется сигнал управления фазой выходного напряжения генератора, В первом и втором блоках 4 и 5 постоянного запоминания записаны значения синусоидального сигнала таким образом, что периодическое изменение Цифрового кода на выходе реверсивного счетчика 3 приводит к изменению цифровых кодов на выходах первого и второго блоков 4 и 5 с одинаковыми периодами как показано на фиг.За, фиг,Зб; Изменение направления счета реверсивного счетчика 3 (сигнал 5 реверс) приводит к изменению фазы сигналов на выходах первого и второго блоков 4 и 5 на 180 (момент времени 11 на фиг,З), Сигналы на выходах старших разрядов Й, й реверсивного счетчика 3 показаны на 10 фиг,Зж, 3, Сигнал на выходе логическогоэлемента исключающее ИЛИ 13 показан на фиг,Зи, На выходах цифроаналоговых преобразователей 6, 8, 10, 12 сигналы имеют постоянную составляющую (фиг,Зд, Е), кото рая компенсируется в сумматорах 6, 9, 11.Амплитуда постоянной составляющей на выходе цифроаналоговых преобразователейй 6 и 10 определяется выходным напряжением Ох первого управляемого источника 20 14 опорного напряжения, на выходе цифроаналоговых преобразователей 8 и 12 - выходным напряжением Оу блока 16 коррекции амплитуды или второго управляемого источника 15 опорного напряжения 25 Оу, если блок 16 отсутствует.На выходах сумматоров 11, 9 и 7 имеемсоответственно сигналы Ох з 1 п йл, Оу соз са- Ох з 1 п ил 30 и(Оу соз вс - Ох з 1 п ил),иэ которых двапоследних являются сигналами Оа и Ов фаэА и В симметричной системы трехфаэных 35 синусоидальных сигналов Оа, Ое и Ос в соответствии с формулами 6 и 7. Сумматор 17вычисляет значение напряжения с фазы С всоответствии с формулой 8 (фиг.З к),Цифровой генератор может работать в 40 одном иэ четырех основных режимов,1, Регулирование частоты выходного напряжения при постоянной амплитуде, приэтом Ох = сопз, Оу = сопзв2. Регулирование амплитуды выходного 45 напряжения при постоянной частоте, при .этом Оу = чаг, Ох = соз;3. Регулирование фазы выходного напряжения при постоянных частоте и амплитуде, при этом Ох - чаг, Оу -,созе и в 50 генераторе должен использоваться блок 16коррекции амплитуды,4, Регулирование фазы и амплитуды выходного напряжения при постоянной частоте, при этом Ох - чаг, Оу - соз 1 и в 55 генераторе отсутствует блок 16 коррекцииамплитуды.Кроме того в режиме 2-4 может одновременно регулироваться и частота выходного напряжения эа счет изменениянапряжения на первом выходе блока 1 уп- потребует соответствующей реализации управления, равляемых источников 14, 15 напряжения.Блок 16 коррекции амплитуды предназ- Временные диаграммы работы генераначен для стабилизации амплитуды выход- тора при скачкообразном изменении соного напряжения генератора при 5 ставляющейОхотОдоминусОх-номтретий регулированиифазы.Вэтомрежимеработы режим работы генератора) показаны нэ напряжение на четвертом выходе блока 1 фиг,З (интервал времени 12тЗ). Как видно управления, и соответственно, выходное из временных диаграмм, выходные напрянапряжениевторогоуправляемогоисточни- жения фэз А, В, С получили приращение ка 15 опорного напряжения остаются посто фазы + 900: янными по амплитуде, т.е. Оу = соз 1. Выходное же напряжение Оу блока 16 кор- Ох Ох рекции амплитуды является функцией вы- Ь = дГС 19 - = агс 1 о - ,-=. =УОу Ох ходного напряжения Ох первого управляемого источника 14 опорного на =агс 1 ц - " =агстц 00 = +90 пряжения, амплитуда и полярность которо 0 го определяют требуемый сдвиг выходного напряжения генератора, для этого, чтобы аким обРазом, по сигналам с пеРвого амплитуда выходного напряжения генера- выхода блока 1 управленияосуществляется тора оставалась постоянной при регули 20 изменение частоты, с второго выхода - извании фазы, необходимо, чтобы в блоке 16 менение чеРедования фаз, с третьего еыхокоррекции и роиз водилось вычисление яа - изменение фазы, с четвертого выходэ - скоРРектированного значения напряжения изменение амплитуды трехфазных синусоидальных сигналов. ==тпнЦЩв д щ яь Е б тц т щщ д вариантов практической реализации бл к го напряжения генератора при регулироеа коррекции могут быть использованы по- нии фазы не тРебуется, например, в случае следовательно соединенные схемы еычи - использования генератора в векторных сис 5 "темах частотного управления асинхронныления разности квадрата1 и извлечениями электроприводами; блок 16 коррекции Наряду со стабилиза . может быть исключен из схемы генеРатоРа.аряд со ста илизацией амплитуды выходного напряжения генератора, введе При этом выход втоРого управляемого исние в генератор блока коррекции 16 поэ - точника 15 опоРного напряжения подключаляет существенно расширить диапазон ется непосредственно к опорным входам изменения фазы выходного напряжения 35 цифроаналоговых преобразователей 8, 12 Например, при изменении напряжения Ох в четвертому и второму входам сумматоров 7 диапазоне Ох = 0 , - Ох, где (О,аи соответственно. =Оумакс - максимальное значение напря- Таким обРазом, увеличение числа кванжения Ох диапазон рег жения х, диапазон регулирования фазы у=тований выходного напряжения по уровню эгстЦ ОхIОУ составит 0 , + 45 без блока 40 без УвеениЯ РазРЯдности блоков посто коррекции и 0 , + 900 янного запоминания по сравнению с протопри его наличии см.фиг. г), т.е. диапазон регулирования типом) приводит к уменьшению нелинейных искажений формы выходного напряжения увеличивается в два раза при изменении напряжений х и у в тех же пределах.генератора трехфазных синусоидальных Следует отметить, что при наличии блока 16 45 П остота еализа ии и ши окое нксигналов.коррекции можно обеспечить плавное регулирование фазы выходного напряжения г циональные возможности предлагаемогорэ 1 оэивбоееРаоРаозволютрменЯтьеовка нерэтора и в олее широком диапазоне, вчестее эталонного генератора как в систе+ 360, Для этого необходимо дополнительно обеспечить соотеетступравленияпреобразователями, использующими метовующее изменение полярностидом слежения за эталонным сигналом, тэк и управляющих напряжений Ох и Оу при переходе результирующего вектора напряжев измерительной технике. ния на плос ос ХУ ния на плоскости из одного квадрата в инПредлагаемый генератор трехфазных другой. игналы управления фазой и амплисинусоидальных сигналов использован наф оо СКТБ ПО "Вектор" в векторной системе уптудой выходного напряжения генератора, поступающие с третьего и четвертого выхоравления асинхронного электропривода ЭПА-100 с фаза.-частотно-токовым управлением, управления, могут быть как в цифровой, так и в аналоговых формах, что1797732 12 На фиг,4 приведена реализация блока 1 управления формирующего сигналы управления частотой, амплитудой и фазой выходного напряжения и направлением счета реверсивного счетчика трехфазного генератора синусоидальных сигналов, Устройство Формула изобретения Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов, содержащий последовательно соединенные формирователь управляющих сигналов, управляемый генератор переменной частоты и реверсивный счетчик, последовательно соединенные первый блок постоянного запоминания, первый цифроаналоговый преобразователь; первый и второй сумматоры, последовательно соединенные второй цифроаналоговый преобразователь и третий сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянного запоминания, третий цифроаналоговый преобразователь и четвертый сумматор. четвертый цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные первый управляемый источник опорного напряжения и блок коррекции амплитуды, выход которого подключен к опорным входам второго и четвертого цифроаналоговых преобразователей и к одним иэ входов первого и третьего сумматоров, а также второй управляемый источник опорного напряжения, выход которого подключен к другому входу блока коррекции амплитуды, к опорным входам первого и третьего цифроаналоговых преобразователей и к одним иэ входов первого и четвертого сумматоров, при.этом управляющий вход реверсивнрго счетчика, первого и второго управляемых источников опорного напряжения подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих является составной частью векторной системы управления асинхронного электропривода с частотным управлением ЭПА-100, предназначенного для использования в раз личном технологическом оборудовании -роботах, станках с ЧПУ и т.д,сигналов, Й-разрядный выход реверсивного счетчика соединен с разрядными входами первого и второго блоков постоянного запоминания, разрядный вход второго цифроаналогового преобразователя подключен к выходу первого блока постоянного запоминания, разрядный вход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к выходу второго блока постоянного запоминания, выход третьего сумматора соединен с другим входом второго сумматора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов, введен элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам (й) и й-го старших разрядов й-разрядного выхода реверсивного счетчика, а выход которого подключен к входам старших разрядов первого и второго цифроаналоговых преобразователей, при этом выход четвертого сумматора соединен с одним из входов первого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с одним иэ входов третьего сумматора, входы старших разрядов третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей подключены к выходу Й-го разряда й-разрядного выхода реверсивного счетчика, выход четвертого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов первого сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров являются выходами цифрового генератора трехфазных синусоидальных сигналов,Корректор А,Мотыль Заказ 670 Тираж Подписное ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб 4 Л оизйодстаенно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина", 10