Эффективный способ фазирования систем синхронно-синфазных электроприводов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-83

А. В. БУБНОВ

Омский государственный технический университет

ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ФАЗИРОВАНИЯ СИСТЕМ СИНХРОННО-СИНФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ_

В статье предложен эффективный способ фазирования синхронно-синфазных электроприводов для обзорно-поисковых и сканирующих систем.

Широкое применение при построении обзорно-поисковых систем получил синхронно-синфазный электропривод (ССЭ) [ 1 ], представляющий собой совокупность управляемого задающего генератора и одного или нескольких электроприводов с фазовой синхронизацией, связанных с задающим генератором только односторонними каналами связи. В таких системах обеспечивается синхронность вращения каждого исполнительного электродвигателя и стабилизация заданного взаимного углового положения их валов.

Целью статьи является разработка эффективного способа фазирования ССЭ, позволяющего повысить надежность работы и уменьшить время переходного процесса в синхронно-синфазном электроприводе.

Обобщенная функциональная схема ССЭ (рис. 1) может быть представлена в виде контура фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) электропривода, включающего в себя частотно-задающий блок ЧЗБ, формирующий импульсы опорной частоты 10п и импульсы задания начального положения вала электродвигателя Роп; блок импульсных датчиков ВИД: частоты вращения ИДЧ /о(: и положения ДП вала электродвигателя Рос; логическое устройство сравнения АУС частот и фаз двух импульсных последовательностей: задания Гоп и обратной связи Гас; корректирующее устройство КУ и бесконтактный двигатель постоянного тока БДПТ; и фазирующего регулятора ФР, содержащего блок определения углового рассогласования БОУР электропривода Да0, источник возмущающих импульсов ИВИ, формирующий импульсы добавочной частоты блок регулирования БР угловой ошибки, и смеситель СМ основных Гт, ¡ис и добавочной [д частот.

Синхронность вращения электроприводов обзорно-поисковой системы обеспечивается путем подачи на них задающего сигнала /оп, определяемого кодом задания А/, однако синфазность вращения в такой системе обеспечена не будет, что обусловлено многозначной нелинейной характеристикой ЛУС [2].

Переход к синфазному режиму работы осуществляется путем устранения начальной угловой ошибки Да0 электропривода, определяемой в БОУР путем подсчета импульсов частоты /оп (¡ас) на интервалах времени между поступлениями импульсов частот Роп и В зависимости от реализуемого алгоритма фазирования Б Р формирует сигнал, обеспечивающий требуемый закон преобразования частот /т и /ос в частоты Гт и Гк, поступающие в контур ФАПЧВ. При этом контур ФАПЧВ в режиме фазирования рассинхрони-зируется по отношению к сигналу и происходит I отработка начальной угловой ошибки Да„.

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема синхронно-синфазного электропривода.

Обычно реализуется алгоритм последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования. Быстродействие такого алгоритма фазирования близко к оптимальному вследствие релейного алгоритма управления в режимах насыщения ЛУС.

Способ квазиоптимального по быстродействию фазирования [3, 4] (рис. 2) целесообразно использовать в системах ССЭ с периодической перестройкой задания угловой скорости, так как в этом случае сокращение времени фазирования приводит к уменьшению потерь информации при работе обзорно поисковых систем. Вопросы практической реализации такого алгоритма рассмотрены в работе [3], однако приведенные в ней функциональные схемы не обеспечивают надежной работы ССЭ из-за отсутствия полного анализа процессов, происходящих в

Рис. 2. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с квазиоптимальным по быстродействию фазированием.

основных узлах (БР, ИВИ) фазирующего регулятора (рис. 2).

Схема ИВИ должна обеспечивать в режиме фазирования формирование последовательности импульсов, частота следования которых линейно нарастает (при наличии сигнала Р на входе ИВИ) или линейно убывает (при наличии сигнала Г). В других режимах работы электропривода частота импульсов должна поддерживаться постоянной / = /оя. Такой алгоритм работы может быть реализован в функциональной схеме ИВИ, построенной на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [3] (рис. 3, где ГУН — генератор импульсов частоты /, управляемый напряжением).

Управление ИВИ осуществляется с помощью про-инвертированных логических сигналов Р и Г, поступающих на входы вентилей И. В зависимости от наличия низкого уровня сигнала Рили Гзакрывается один из вентилей, при этом на входы ИЧФД поступает только одна последовательность импульсов: частоты или частоты (м. Импульсный частотно-фазовый дис криминатор переходит в режим насыщения, и на выходе корректирующего устройства формируется максимальный управляющий сигнал, знак которого определяется значением выходного сигнала ИЧФД у. Интегратор напряжения ИН формирует линейно изменяющийся аналоговый сигнал, поступающий на вход ГУН, и обеспечивающий требуемый закон изменения частоты /.

Реализация ИВИ на основе рассмотренной схемы обладает рядом недостатков:

1) наличие фазового сдвига Дф«7: между импульсами опорной частоты /оп и импульсами частоты / на выходе ГУН в замкнутом контуре ФАПЧ обусловливает при переключении в режим фазирования резкое изменение значения сигнала на выходе ЛУС, пропорционального угловой ошибке Да электропривода. Такое изменение начальных условий выводит систему управления электроприводом на границу линейной зоны регулирования, что может привести к нарушению алгоритма работы фазирующего регулятора и, следовательно, к значительному ухудшению качества регулирования ССЭ;

2) наличие вентилей на входе ЛУС вызывает задержку (порядка Топ) в формировании уровней насыщения сигнала у на входе корректирующего устройства, так как переход ЛУС в режим насыщения происходит только после поступления на один из его входов двух импульсов при отсутствии импульсов на другом входе. При низких частотах вращения задержка может достигать значительной величины, что отрицательно сказывается на динамике системы регулирования, так как процесс фазирования может закончиться при наличии ошибки по частоте вращения (за счет отличия времени разгона и торможения), и электропривод при отработке этой ошибки может перейти в режим разгона или торможения с последующей синхронизацией при произвольной угловой ошибке Да;

3) при изменении значений сигналов Р и Т, управляющих работой ИВИ, на входе корректирующего устройства формируются скачки сигнала у, что приводит к появлению выбросов напряжения на выходе КУ, формируемых с помощью входящих в него дифференцирующих элементов, которые обеспечивают устойчивость работы контура ФАПЧ. Эти выбросы (на время их действия) вызывают больший темп нарастания выходного сигнала ИН и, соответственно, частоты f на выходе ГУН, чем необходимо обеспечить в режиме фазирования. При большой скорости изменения частоты / ЛУС контура ФАПЧВ переходит в

у

ИЧФД КУ ИН ГУН

ш

Рис. 3. Функциональная схема ИВИ с использованием принципа ФАПЧ.

Рис. 4. Функциональная схема ИВИ с ограничением сигнала на входе интегратора напряжения.

Л

т

/а

I 1

гн г

БК \ N : \ : Ч

1

ИН

Рис. 3. Временные диаграммы работы контура ФАПЧ.

режим насыщения, что приводит к нарушению алгоритма фазирования и, следовательно, к ухудшению качества регулирования ССЭ.

С целью устранения указанных недостатков и обеспечения надежной и качественной работы фазирующего регулятора разработан ИВИ [5], функциональная схема которого приведена на рис. 4, где ДЧ2 — делитель частоты на два, БК — блок коррекции.

В предлагаемой схеме устранен фазовый сдвиг импульсов частот / и /ол в замкнутой системе ФАПЧ за счет введения двух делителей частоты на два, что поясняется временными диаграммами работы замкнутого контура ФАПЧ (рис. 5а).

Рис. в. Преобразователь напряжение-частота с расширенным диапазоном работы.

НЭ2 к.

Дф

1 к

Гр

Л

К(р)

Рис. 7. Полная структурная схема контура ФАПЧ.

Фо кнч

НЭ2

1 и. ~7~~

фо 2 т

1 Доз 1

р Р

Да

гг\(р) 5' 2е„ Де 1 Д<о 1

2 фо Р Р

Да

Рис. 8. Линеаризованные структурные схемы контура ФАПЧ в пропорциональном режиме работы.

Устранение задержек в прохождении сигналов при изменении управляющих сигналов Р тлТ обеспечено введением двух логических элементов ИЛИ-НЕ, включенных последовательно между выходом ИЧФД и входом блока коррекции.

Выполнение БК в виде последовательно соединенных корректирующего устройства КУ и нелинейного элемента НЭ с характеристикой типа «насыщение» позволяет устранить выбросы напряжения на выходе блока коррекции, приводящие к увеличению темпа нарастания частоты / и, соответственно, к нарушению алгоритма работы фазирующего регулятора. Работа ИВИ в режиме фазирования поясняется временными диаграммами (рис. 56; где пунктиром изображены сигналы на выходах БК и ИН при отсутствии нелинейного элемента в контуре ФАПЧ).

Последовательно соединенные ИН и ГУН представляют собой преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). При использовании фазирующего регулятора в ССЭ с широким диапазоном регулирования угловой скорости необходимо обеспечить надежное функционирование ПНЧ в широком диапазоне его выходных частот. Для решения такой задачи предлагается схема ПНЧ с изменяемой постоянной времени

ИН [6] (рис. 6, где ДДВИ - дискриминатор длинных временных интервалов, ДКВИ - дискриминатор коротких временных интервалов).

В этой схеме при снижении частоты следования выходных импульсов ГУН ниже допустимой на выходе ДДВИ формируется сигнал, устанавливающий Д5-триггер в ноль. Изменение выходного состояния КЗ-триггера вызывает автоматическое увеличение постоянной времени ИН, и частота следования импульсов на выходе ГУН увеличивается в заданное количество раз. Одновременно к выходу ГУН подключается делитель частоты следования импульсов в это же количество раз, и общий коэффициент преобразования ПНЧ остается постоянным. Использование двух дискриминаторов временных интервалов позволяет повысить надежность работы схемы за счет введения отрицательного гистерезиса в передаточную характеристику Л5-триггера.

Для расчета параметров корректирующего устройства и постоянной времени ИН воспользуемся результатами теоретических исследований, приведенными в [1]. На основе функциональной схемы контура ФАПЧ (рис. 4) можно построить его полную структурную схему (рис. 7, где Игк[р) - передаточ-

ная функция КУ; Т - постоянная времени ИН; и -напряжение смещения ИН; кт - коэффициент преобразования напряжение-частота ГУН).

После структурных преобразований с учетом условий линеаризации схемы в пропорциональном режиме ее работы [ 1 ] получаем структурную схему контура ФАПЧ для пропорционального режима работы (рис. 8а).

Определим постоянную времени Т интегратора напряжения из условия обеспечения углового ускорения Бф = Ет8\ где 5' - коэффициент уменьшения ускорения электропривода в режиме фазирования, не превышающий единицу, в контуре ФАПЧВ для режима насыщения НЭ2. В этом случае можно записать

Еф = ит%к,п/Т = Ет& ,

где ф0 = 2тс/г — угловое расстояние между метками ИДЧ, 7, — количество меток, и после преобразования получаем значение постоянной времени ИН

Т =

е„5'

.2УАЛ 8'Д ■

2е„

где Ц. =—-к — добротность электропривода по ус-Фо

корению.

Для расчета численного значения постоянной времени интегрирования Гзначения ит и выбираются равными аналогичным значениям основного контура ФАПЧВ, значение к1т определяется выбранной схемой управляемого генератора, и задаемся 8'*0Д

Для определения параметров КУ рассмотрим работу контура ФАПЧ на линейном участке характеристики НЭ2. В этом случае структурная схема контура ФАПЧ (рис. 8а) преобразуется в линейную структурную схему автоматического регулирования (рис. 86), аналогичную структурной схеме основного кон-тура ФАПЧВ для тех же условий работы.

Надежная синхронизация контура ФАПЧВ после окончания процесса фазирования может быть обеспечена при совпадении переходных процессов в контурах ФАПЧ и ФАПЧВ. Для выполнения этого условия можно записать

0,55'1У;(р) = ^(р), или при выборе (р)- к'(Ткр +1) получаем

0,58'к'(Кр + 1)=к(Ткр + \),

где к - коэффициент усиления КУ в контуре ФАПЧВ, Тк — постоянная времени.

Значения параметров корректирующего устройства определяются следующим образом

к' = 2к/8', Г;=Т„ .

Наличие в схеме ИВИ (рис. 4) делителей частоты приводит к изменению положения на фазовой плоскости линий переключения ИЧФД

Дф = ф0±2жр0

и начальных условий по Да и Дш при переходе ИЧФД в режим фазового сравнения

(Дф = ф„±2лф0 [0<|Дсо|<Дшгл/257.

Отличие начальных условий по Да и Доз контуров ФАПЧ и ФАПЧВ на качество фазирования никакого влияния не оказывает, так как весь процесс фазирования осуществляется при замкнутом контуре ФАПЧВ.

Для обеспечения опережающей синхронизации контура ФАПЧ в переходных режимах работы контура ФАПЧВ (при переходе с одной частоты вращения на другую) необходимо формировать с'ф > ет может быть реализовано путем уменьшения постоянной времени Тинтегратора в режимах насыщения контура ФАПЧВ.

Оценим влияние напряжения смещения иС11 ИН на качество работы фазирующего регулятора. Определим статическую ошибку по углу в установившемся режиме работы контура ФАПЧ [ 1 ]

Да = ф0-^-

к ит

и относительную фазовую ошибку

л_ Да 1 и,.,, Дф = — = —

Фо к ип, '

Для обеспечения допустимой фазовой ошибки Дф5 необходимо использовать ИН со значением напряжения смещения

иги<Дфдки„.

Задаваясь Дф!)=0,01 и 1<к<10, получаем и„<(0,01...0,1)1;т.

При работе фазирующего регулятора наличие ии1 проявляется в разных по модулю ускорениях электродвигателя на участках разгона и торможения, что может привести к большим угловым или скоростным ошибкам в конце процесса фазирования. В общем случае требования К интегратору определяются конкретным алгоритмом фазирования, реализованным вБР.

Блок регулирования (рис. 2) предназначен для формирования сигналов управления работой ИВИ (Р, Т) и сигнала Ф, управляющего работой цифрового ключа, входящего в состав СМ, который в режиме фазирования подключает ко входу ФАПЧВ импульсную последовательность /.

Блок регулирования БР может быть реализован [3] по функциональной схеме, представленной на рис. 9, где БП — блок памяти; БЗ — блок запуска; УС — устройство сравнения; БФУС — блок формирования управляющих сигналов Р,ТиФ.

Блок определения углового рассогласования путем обработки сигналов /цл, Рол и формирует сигнал Да, пропорциональный угловой ошибке электропривода, и сигнал Да = 0 при отсутствии углового рассогласования.

При наличии угловой ошибки в синхронном режиме работы контура ФАПЧВ (сигнал П) блок запуска формирует импульс /. По этому импульсу осуществляется запись в БП значения кода, равного половине значения угловой ошибки Да0 в момент записи, формирование высокого уровня сигнала Ф и, в зависимости от знака угловой ошибки, — высокого уровня сигналов Рили Т, обеспечивающих линейное нарастание или уменьшение частоты

При уменьшении угловой ошибки Да до значения Да0/2 на выходе устройства сравнения формируется импульс, изменяющий значения сигналов Р и Т на противоположные. Частота Г, начинает возвращать-

т§

ЧЗБ

fon

L

/о

ФАПЧ

УК

ФАПЧВ

БИД

БОУР

Да

Да=0

щ

БП

Да0/2.

О

УС

БЗ

Ж

ф

БФУС

БР

Рис. 9. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с квазиоптимальным по быстродействию фазирующим регулятором.

ЧЗБ

fon

п

ФАПЧ П'

УК

f

J on

ФАПЧВ

БИД

БОУР

Да

Да=0

щ

БП

Да0/2.

УС

БЗ

ДЛ

п

ф

БФУС

БР

Рис. 10. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с квазиоптимальным по быстродействию фазирующим регулятором (модифицированный вариант).

ся к исходному значению обеспечивая изменение знака ускорения электропривода. В момент появления на выходе БОУР сигнала Да = 0 происходит установка низких уровней сигналов Р, Т и Ф, что обеспечивает прекращение режима фазирования и переход контура ФАПЧВ в пропорциональный режим работы.

Отличие модулей значений ускорения в режимах разгона и торможения контура ФАПЧ, обусловленных наличием исм на входе интегратора напряжения, приводит к тому, что в момент появления на выходе БОУР сигнала Да = 0 частота {д1 а следовательно, и частота [к, отличаются от частоты /оп, к тому же в этот момент значение фазового рассогласования частот /ОЛ и может быть произвольным. Ненулевые начальные условия по Дш и Да в момент подключения контура ФАПЧВ к ЧЗБ могут являться причиной выхода электропривода из пропорционального режима работы. В результате нарушается алгоритм фазирования и, следовательно, снижается быстродействие электропривода при отработке угловых рассогласований.

Для устранения нарушений алгоритма работы фазирующего регулятора предлагается осуществлять установку низких уровней сигналов Р, Т и Ф по сигналу Я' [7] (рис. 10), соответствующему синхронному режиму работы контура ФАПЧ. В этом случае после

отработки половины начальной угловой ошибки по сигналу с УС устанавливаются низкие уровни сигналов РиТ,и контур ФАПЧ самостоятельно отрабатывает накопившуюся скоростную ошибку. После синхронизации контура ФАПЧ происходит установка низкого уровня сигнала Ф, и контур ФАПЧВ подключается к ЧЗБ с практически нулевыми начальными условиями по Дсо и Да.

При неполной отработке начального углового рассогласования (при наличии исм интегратора напряжения), процесс фазирования повторяется. Оценим влияние напряжения смещения интегратора ис№ на изменение времени фазирования от идеального значения (при и„,= 0) при отработке максимальной начальной угловой ошибки Да0 = г<р0 /2.

Время отработки 1п1 половины значения начальной угловой ошибки Да0 определим из выражения

<п I

Да, = Да0/2 = 2ф0/4 = ](Еф +е'(|)<Л = еф(1 + Д)(*,/2,

о

где е'„ = исч%кт/Т = гфиСК/ит , Д = Е'„/Еф = „а/ит -

Тогда

2ф0

2е#(1 + Д)

где Дсоп — накопившаяся скоростная ошибка при отработке половины начальной угловой ошибки.

Время отработки скоростной ошибки Дшп определится как

t.

Дсо„

1 +Д.

Еф(1-Д) 1-Д

За это время осуществится отработка углового рассогласования

<п2

Да2 = |Еф(1-АУсН = Еф(1- Д)&/2 = т^т-Аа,.

о 1 Д

Оставшаяся угловая ошибка будет равна ДаЛ = Да0 -Да, -Да2 = -Да0Д/(1-Д).

Полученное выражение показывает, что за один цикл фазирования происходит уменьшение модуля начальной ошибки фазирования Да0 в (1-Д)/Д раз. Задаваясь минимальной угловой ошибкой <р0/2, при которой не происходит повторение процесса фазирования, можно определить число т циклов фазирования при отработке максимальной начальной угловой ошибки Аад = г(рп/2 из выражения

1-Д\ Фо=£Фо_ 2 2

или

1-Д

или

^Wa/M'K1-*)"''

где t - время фазирования при исы = 0.

Время отработки последующих циклов будет уменьшаться в Д)/Д раз вследствие уменьшения

предыдущей угловой ошибки в (1-Д)/Д раз. Тогда общее время фазирования будет равно

„=(фаш I/!1 - д2)0 -' I1+- д)+■ ■■

или с учетом того, что Д<< 1, получаем

[' «i

фт ах фтах

Т.**.

С учетом того, что Д < < 1, получаем т » - 1од& г .

При реальных параметрах электропривода (г = = 4800 и Д =0,01...0,1) получаем количество циклов фазирования Л1<(2...4) при отработке любого начального рассогласования. Для получения только одного цикла фазирования необходимо выполнить условие Д = 1/(2 + 1).

Общее время фазирования будет равно сумме времен всех циклов фазирования. Время первого цикла равно

Из полученного выражения следует, что при Да = = 0,01 tpi = 2) относительное увеличение времени фазирования не превысит 11 %, адляД=0,1(т = 4) — 46%.

Проведенные расчеты показывают, что рассмотренный алгоритм фазирования синхронно-синфазных электроприводов обеспечивает хорошее быстродействие (близкое к оптимальному) при высоких параметрах точности и функциональной надежности, следовательно, предложенный способ фазирования может использоваться при построении ССЭ с высокими динамическими показателями.

Библиографический список

1. Бубнов A.B. Вопросы анализа и синтеза прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода постоянного тока: Научное издание. // Омск: Редакция журнала «Омский научный вестник», 2004. - 131 с.

2. Бубнов A.B. Математическая модельлогического устройства сравнения для электропривода с фазовой синхронизацией. // Электричество. - 2005. - №5. - С.27-31.

3. A.c. П00700СССР,МКИ5Н02Р5/50. Устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока/ A.M. Сутормин, Б.М. Яманов-ский, В Н. Зажиркоидр. (СССР). - 7 с.

4. A.c. 1106000 СССР, МКИ' Н02 Р 5/06. Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя/A.M. Сутормин, Б.М. Яма-новский, В.Н. Зажирко, В.Г. Кавко (СССР). - 3 с.

5. A.c. 1612368СССР,МКИ5Н02Р5/50,5/06. Устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянноготока/А.М. Сутормин,В.Г. Кавко, AB. Бубнов и др. (СССР). -4 с.

6. A.c. 737840 СССР, МКИгС01R11/00. Счетчик электрической энергии / В.Г. Шахов, P.A. Ахмеджанов, A.B. Бубнов (СССР) - 3 с.

7. Бубнов A.B. Вопросытеории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока: Монография. — Омск: Редакция журнала «Омский научный вестник», 2005. - 190 с.

БУБНОВ Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника».

£

ч ?