Проведено аналіз впливу алгоритму роботи імпульсного частотно-фазового дискримінатора на динаміку електроприводу з фазової синхронізацією. Розглянуто різні алгоритми розблокування дискриминатора в режим фазового порівняння, при цьому отримані рівняння ліній перемикання в пропорційний режим роботи електроприводу і визначені області початкових умов, на основі методу фазової площини проведено порівняння перехідних режимів в електроприводі при різних алгоритмах роботи логічного пристрою порівняння. Запропоновано варіант побудови частотного дискримінатора на основі лічильника збігаються вхідних імпульсів.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Бубнов А. В.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2004


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Аналіз впливу алгоритму роботи імпульсного частотно-фазового дискримінатора на динаміку електроприводу з фазової синхронізацією'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз впливу алгоритму роботи імпульсного частотно-фазового дискримінатора на динаміку електроприводу з фазової синхронізацією»

    ?кі машини серійного виготовлення (асинхронні машини з фазним або короткозамкненим ротором), так і спеціально спроектовані для роботи в режимі вимушених коливань. Причому, якщо в першому випадку використання серійних машин передбачає додаткові заходи, спрямовані на доопрацювання механічних частин двигуна, то по-другому - слід очікувати більш високі техніко-економічні показники, так як машина проектується безпосередньо для конкретно заданої установки, з урахуванням властивостей всіх інших елементів , що входять в даний коливальний комплекс.

    Безсумнівно, доцільність використання електричних машин змінного струму, і в першу чергу МДП, в режимі коливального руху продиктовані, з одного боку, хорошою

    керованістю електромеханічних перетворювачів енергії та їх високою сумісністю із засобами обчислювальної техніки, а з іншого -високої надійністю і низькою вартістю, завдяки відпрацьованої технології при їх виробництві. Аналіз сучасного стану та перспектив розвитку безредукторних коливальних комплексів на базі електричних машин змінного струму вказує на тенденцію створення таких машин, що володіють високими динамічними та енергетичними характеристиками. Застосування з цією метою МДП дозволяє істотно розширити реквізит діапазон кутових (лінійних) коливань по развиваемому зусиллю до 2000 Н, підвищити енергетичні показники в 1,2 ... 1,6 рази, отримати нові функціональні можливості електроприводу коливального руху.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Аристов О.В. Питання дослідження, розробки і практичного впровадження електроприводів коливального руху з машиною подвійного живлення // Сучасні проблеми енергетики, електромеханіки та електротехнології. - Ч. 2. - К: Вид-во УПІ, 1995. -С. 234-236.

    2. Гладков С.Н. Електромеханічні вібратори. - М .: Машинобудування, 1966. - 83 с.

    3. Соустін Б.П., Тестоєдов Н.А., Рудомьоткін А.Г., Алькіна А.В. Вібровипробування космічних апаратів. - Новосибірськ: Наука, 2000. -175 с.

    4. Захаров Ю.Є. Дослідження гідравлічних і електрогідравлічних вібраторів. Автореф. дис. ... докт. техн. наук. - М .: МВТУ, 1974. -41 з.

    5. А.с. 1374359 СРСР. Вібратор / І.Х. Хайруллін, Ф.Г. Тімер-шин, Р.Д. Файзуллин. Б.І. 1988. - № 6.

    6. Woodward H.E., Nestories E.J., Russell A.E. An electromagnetic vibration exciter. [British Internal Combustion Engine Research Inst. Ltd]. № 2645/76. -1978.

    7. Прохоренко О.В. Розробка і дослідження вібраційного електромагнітного двигуна. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибірськ, 2003. -19 c.

    8. Wolf H. Elektrodynamische Schwingerregor // Elin-Z. - 1978. - V. 30. - № 2. - P 60-68.

    9. Кратинов А.Г. Магнітострикційний електровібропрівод // Конструювання і виробництво транспортних машин. - 1980. - № 12. - C. 124-127.

    10. Луковников В.І. Електропривод коливального руху. - М .: Вища школа, 1984. -152 с.

    УДК 62-83

    АНАЛІЗ ВПЛИВУ АЛГОРИТМА РОБОТИ ІМПУЛЬСНОГО ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО дискримінатори НА ДИНАМІКУ ЕЛЕКТРОПРИВОДА З фазової синхронізації

    А.В. Бубнов

    Омський державний технічний університет Тел .: (381-2) -16-10-93

    Проведено аналіз впливу алгоритму роботи імпульсного частотно-фазового дискримінатора на динаміку електроприводу з фазової синхронізацією. Розглянуто різні алгоритми розблокування дискриминатора в режим фазового порівняння, при цьому отримані рівняння ліній перемикання в пропорційний режим роботи електроприводу і визначені області початкових умов, на основі методу фазової площини проведено порівняння перехідних режимів в електроприводі при різних алгоритмах роботи логічного пристрою порівняння. Запропоновано варіант побудови частотного дискримінатора на основі лічильника збігаються вхідних імпульсів.

    При розробці електроприводу для оглядово пошукових систем перспективними є системи управління, що працюють в режимі фазового автопідстроювання частоти обертання (ФАПЧВ) [1] (рис. 1, де ЧЗБ - частотно задає блок, який формує імпульси опорної частоти / "; ІДЧ -им-

    пульсної датчик частоти обертання, яка формує імпульси частоти зворотного зв'язку / .; ІЧФД -імпульсний частотно-фазовий дискримінатор; КУ - коригуючий пристрій; БДПС - безконтактний двигун постійного струму). Такі системи характеризуються високими точносних

    показниками, хорошими динамічними властивостями і широким діапазоном регулювання.

    Мал. 1. Структурна схема електроприводу з фазової синхронізацією

    Відповідно до принципу ФАПЧВ алгоритм функціонування імпульсного частотно-фазового дискримінатора повинен забезпечувати три режими роботи електроприводу: розгону з максимальним прискоренням (при />/), Пропорційний (лінійний) (при / 01 ^ / 0С) і гальмування з максимальним прискоренням (при / "</,). Реалізація такого алгоритму роботи електроприводу забезпечується завдяки наявності трьох режимів роботи ІЧФД: насичення при розгоні, фазового порівняння і насичення при гальмуванні електроприводу.

    Для аналізу динамічних процесів в системах ФАПЧВ скористаємося методом фазової площини [2], при цьому електропривод розглядається як система зі змінною структурою, і для кожної робочої області будуються сімейства фазових траєкторій.

    На рис. 2 зображений фазовий портрет для режиму синхронізації електроприводу при різних початкових умовах. Фазові траєкторії 1 і 2 відповідають режиму розгону електроприводу з подальшою синхронізацією, а траєкторія 3 - режиму гальмування електроприводу. Напрямок руху на траєкторіях позначено стрілками.

    Початкові умови при переході в пропорційний режим роботи електроприводу розташовані на лініях перемикання [2]

    л Ф0 Да = + Ф0п

    і при синхронізації електроприводу в точці Да = 0 визначаються як початкові умови по:

    - Так

    Да = ± Фо, (1)

    2 v у

    - Так

    0 > Так > - 2 (р0ет = Даг, (2)

    де (р0 = 2п / г - кутова відстань між двома сусідніми мітками ІДЧ, г - кількість міток, п = 0, 1, 2, ..., ет - максимальне кутове прискорення в режимах розгону і гальмування електроприводу.

    Вирази (1, 2) для початкових умов по Та й Та в режимі фазового порівняння ІЧФД не залежить від заданої частоти обертання, а визначаються тільки параметрами контуру ФАПЧВ.

    Імпульсний частотно-фазовий дискримінатор зі звичайним алгоритмом роботи [3] забезпечує досить високу якість перехідних процесів в широкому діапазоні регулювання частоти обертання при невеликому перерегулюванням по Так, що не перевищує Так, [2]. У той же час відомі технічні рішення побудови електроприводів з фазової синхронізацією, в яких здійснюється додаткова примусова розблокування ІЧФД, і в результаті покращується якість регулювання при входженні контуру ФАПЧВ в синхронізм.

    На фазовій площині зміна алгоритму регулювання відображається в зміні розташування і виду ліній перемикання і, отже, областей початкових умов для режиму входження в синхронізм. Тому порівняльний аналіз способів регулювання електроприводу з фазової синхронізацією зручно проводити з використанням методу фазової площини. Для зручності порівняння різних способів регулювання електроприводу приймемо такі припущення:

    1) при різних алгоритмах регулювання електроприводу в режимі фазового порівняння система управління лінеарізуется і зводиться до структурної схемою лінійної системи автоматичного регулювання з однаковими параметрами коригуючого пристрою;

    2) струмообмеження електродвигуна не враховується;

    3) зовнішні збурення при аналізі динамічних процесів не враховуються. Примусова розблокування ІЧФД може

    здійснюватися за сигналом додаткового частотного дискримінатора (ЧД). При цьому може здійснюватися розблокування схеми логічної блокування (ЛБ) всередині ІЧФД (рис. 3, а) через нелінійний елемент (НЕ) типу реле з зоною нечутливості [3], або, при використанні додаткового частотного дискримінатора (рис. 3, б), можливе розблокування ІЧФД за допомогою імпульсу, який формується на виході одновібратора ОВ [4].

    а б

    Мал. 3. Варіанти структурних схем логічного пристрою порівняння

    Практична реалізація частотного дискримінатора може здійснюватися на основі схеми порівняння сигналів, пропорційних частотам / п і / ж (рис. 4, а, де ПЧН - перетворювач частота-напруга) [3]? або їх періодів Топ і Тж (рис. 4, б, де ППК - перетворювач період-код, УС - пристрій порівняння, / - частота проходження імпульсів високочастотного генератора) [4].

    Дю = ± Дю0, де Дф0 = ф0Д / 0, а область початкових умов

    Дю = Дю0

    -Фо / 2 <Так<Фо / 2-

    (3)

    (4)

    На фазовому портреті (рис. 5) зображені три фазові траєкторії для режиму розгону електроприводу з різними початковими умовами по Та в момент розблокування.

    А (про "

    - d --

    3 (р0-ФО - 0 Vo-р "(0 ') 3 ф" Ла

    2 + 2 i 2 + 2

    | -Леа0

    -Аюг-

    Мал. 5. Фазовий портрет роботи електроприводу з випереджаючої розблокуванням через нелінійний елемент

    У таких системах можлива синхронізація на частотах, близьких до заданої, так як лінійна область роботи електроприводу не обмежена по Да. Цей недолік усунуто в схемі логічного пристрою порівняння, наведеної на рис. 3, б, в якій здійснюється примусова розблокування ІЧФД коротким імпульсом з виходу додаткового ЧД. В цьому випадку можливий повторний перехід ІЧФД в режим насичення при | Дю |<Дю0, проте повністю виключається можли-

    ність синхронізації на близькій частоті. На фазовому портреті (рис. 6) повторного переходу імпульсного частотно-фазового дискримінатора в режим насичення відповідає ділянку з-d фазової траєкторії 2.

    Для визначення величини До0 при використанні схеми, наведеної на рис. 4, б, скористаємося нерівністю

    t + t > t > t - t

    Lon ^ 1 "1oc ^ L on

    де To = 1 / fo = TJN, N = fo / fOB - код періоду опорної частоти Х ".

    а б

    Мал. 4. Варіанти структурних схем імпульсного частотного дискримінатора

    У схемі, представленої на рис. 3, а, ІЧФД виконаний у вигляді фазового дискримінатора ФД зі схемою ЛБ, розблокування якої здійснюється за сигналом з виходу ЧД. При цьому вихідний сигнал імпульсного частотно-фазового дискримінатора у дорівнює вихідному сигналу фазового дискримінатора Д- при частотному неузгодженості імпульсів / оп і / ж | Д / |<Д / 0, де Д / 0 - величина зони нечутливості НЕ. Лінії перемикання при такому алгоритмі роботи описуються виразом

    Мал. 6. Фазовий портрет роботи електроприводу з випереджаючої розблокуванням від додаткового частотного дискримінатора

    Це нерівність справедливо при рівності кодів, пропорційних періодам порівнюваних частот, на вході пристрою порівняння з точністю до молодшого розряду.

    Для зворотних величин можна записати i / T -T0)>I / Tc > 1 / T + T0), Ь ° ь

    fj (1 -CT) > fc > fnl (1 +

    де CT = T, / Ton = 1 / N.

    Після перетворення отримуємо

    fn \ l +

    CT

    > f oc > fn \ 1 -

    CT

    1+ CT,

    1 - CT y

    або з урахуванням того, що ст<<1:

    fon + Af >f oc >f on -f >

    де ДМ "ст.

    Тоді Юз + Дю0>ю>Юз-До0,

    де До0 = ф0Дf? tyffollCT =? Ест, ТЗ - задана кутова швидкість електродвигуна.

    З урахуванням того, що ст = / М = Юе / (ф /), отримуємо

    Д®0 = ®7 (Фо f0) '(5)

    тобто розташування ліній перемикання і, відповідно, початкових умов по До на фазової площині дуже сильно залежить від заданої частоти обертання електроприводу.

    Аналогічно, якщо визначення сигналу До0 здійснюється шляхом віднімання сигналів, пропорційних порівнюваних частот fm і f з виходів ПЧН (рис. 4, а), то також практично неможливо забезпечити сталість До0 в широкому ді-

    апазоне робочих частот обертання внаслідок порівняно невисокої точності перетворення частоти обертання в напругу.

    Значна зміна До0 в залежності від робочої частоти обертання призводить до значного розширення області початкових умов по До і до погіршення якості регулювання електроприводу, так як великі частотні неузгодженості не можуть бути відпрацьовані в межах однієї лінійної зони фазового дискримінатора.

    Аналогічні результати дозволяє отримати більш проста в реалізації схема ЧД [5], алгоритм роботи якої заснований на визначенні ситуації повторного накладення в часі вхідних імпульсів ЧД. У цьому випадку виконання частотного дискримінатора у вигляді схем І, АБО-НЕ і двох двухразрядного лічильників імпульсів (рис. 7, де ФКМ - формувач коротких імпульсів стабільної тривалості т) дозволяє сформувати лінії перемикання

    Да = Фо / 2 ± Фоп (6)

    (7)

    і початкові умови

    | До | < До0 [Та й + ф0 / 2,

    причому розблокування ІЧФД проводиться не після зміни знака До, а безпосередньо перед цією зміною.

    foc.

    f'o,

    ФКМ

    ІЧФД I

    Щ "

    ?

    'З R З T1 Q1 Q2

    'З R З T2 Q1 Q2

    ЧД

    в нуль, і розблокування ІЧФД не відбувається. Якщо ж повторне збіг імпульсів відбулося на наступному такті / оп, то з'являється одиниця на виході Q2 лічильника СТ1, по якій спрацьовує одновібратор ОВ, здійснює розблокування ІЧФД в пропорційний режим роботи.

    Мал. 7. Структурна схема логічного пристрою порівняння з лічильником співпадаючих вхідних імпульсів

    Фазовий портрет роботи такої системи регулювання в режимі розгону електроприводу при різних початкових умовах по До наведено на рис. 8. Розблокування ІЧФД здійснюється з випередженням в точках а і Ь.

    Робота ЧД заснована на визначенні моменту часу, коли відбудеться збіг у часі вхідних імпульсів ЛП і тривалістю тне менше двох разів поспіль. Збіг у часі вхідних імпульсів визначається за допомогою логічного елемента І, а кількість таких повторних збігів підраховується першим двухразрядного лічильником імпульсів СТ1. Другий лічильник СТ2 підраховує кількість повторно співпадаючих пауз, які визначаються за допомогою логічного елемента АБО-НЕ між повторними накладеннями вхідних імпульсів. Якщо така кількість збігів пауз перевищує одиницю, то лічильник СТ1 по сигналу з виходу Q2 лічильника СТ2 встановлюється

    Мал. 8. Фазовий портрет роботи електроприводу з частотним дискримінатором на основі лічильника збігаються вхідних імпульсів

    В цьому випадку періоди порівнюваних частот відрізняються один від одного на величину, що не перевищує 2т, тобто Т "+ 2т>та>Т0П-2т. Для зворотних величин можна записати

    1 / (Ton - 2т) > 1 / Toc > 1j (Tm + 2т)

    або

    fj (l-О > f > fnl (l + o% де про '= 2т / Тж. Після перетворення отримуємо

    fon ^ + I ° o)> foc > fn (1-I + О]

    або з урахуванням того, що про ' <<1,

    f n + Af ' > L > fn -А /, де AffonO ', або

    m + Am0 >m >m -Am0,

    де Am'0 «m3o '.

    З урахуванням того, що про '= 2т / Оп = 2тюЗ / ф0, отримуємо вираз для Am0, аналогічне (5)

    Am0 = 2тт2 / ф0. (8)

    Таким чином, помилка по частоті обертання Am при повторному збігу вхідних імпульсів ЧД лежить в межах | Am |<Am0. У той же час збіг імпульсів fm і f свідчить про роботу дискриминатора на кордоні лінійної зони, тобто при Aa «ф0 / 2, що підтверджує правильність виразів для початкових умов (7).

    При виборі Am'0 рівним Am, може бути досягнутий максимальний ефект в плані підвищення швидкодії в порівнянні зі звичайним алгоритмом роботи ІЧФД. Максимальний час скорочення перехідного процесу визначиться часом проходження зображає точки ділянки е-b фазової траєкторії 2 (рис. 2), так як розблокування ІЧФД відбудеться не в точці b (як в звичайному ІЧФД), а в точці е.

    &

    При цьому економія часу складе / Емах = 4ф0 / Дюг [2], і в залежності від початкових умов по можна записати

    0 <Ге < 4Фо / Даг.

    Залежність До'0 від заданої частоти обертання (8) призводить до того, що в області робочих частот, де Дю'0<Дю "спрацьовування ЧД відбуватиметься тільки при | Дю |<Дю'0, а в області початкових умов Дю'0<дю<Дю ,. ЧД не спрацює, і розблокування ІЧФД відбудеться тільки після зміни знака До відповідно до алгоритму роботи дискримінатора. при Дю'0>Дюг і великих початкових вус-

    ловиях по До синхронізація неможлива в межах однієї лінійної зони ФД, що призводить до зниження швидкодії електропривода, так як зображає точка проходить по фазовим траєкторіях різних лінійних зон.

    Розглянуті алгоритми роботи ІЧФД з його додаткової примусової розблокуванням дозволяють кілька знизити перерегулирование в електроприводі з фазової синхронізацією, проте їх ефективне використання можливо тільки у вузькому діапазоні робочих частот обертання електроприводу.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Трахтенберг Р.М. Імпульсні астатические системи електроприводу з дискретним керуванням. - М .: Енергоіздат, 1982. -168 с.

    2. Бубнов А.В. Дослідження режиму синхронізації в контурі фазового автопідстроювання частоти обертання. - Омськ: Изд-во ОмГТУ, 1999. -21 с. - Деп. в ВІНІТІ 23.12.99, № 3805-В59.

    3. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовський Г.Г. Управління електроприводами. - Л .: Енергоіздат, 1982. - 392 с.

    4. А.с. 1280635 СРСР. МКІ4 Н02Р 5/06. Електропривод постійного струму / В.М. Збоїв, Н.А. Завражнов, А.П. Протасов. - 3 с .: іл.

    5. А.с. 1624649 СРСР. МКІ5 Н02Р 5/06. Стабілізований електропривод / А.В. Бубнов, Б.М. Ямановскій. - 4 с .: іл.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити