CC BY
10
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
удк 62-83 д. в. БУБНОВ
А. Н. ЧЕТВЕРИК Д. Н. ЧУДИНОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СРАВНЕНИЯ С КОСВЕННЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ОШИБКИ ПО УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ДЛЯ СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА_
Синхронно-синфазный электропривод, построенный на основе электропривода с фазовой синхронизацией, широко используются в тепловизионных и лазерных сканирующих системах благодаря высоким точностным и динамическим характеристикам в широком диапазоне регулирования у г ловой скорости. Целью статьи яв ляется разработка классификации методов косвенного определения ошибки по у гловой скорости в электроприводе с фа зовой синхронизацией и разработка схемных решений по построению блока определения ч а стотного ра ссогласования, я в ляющегося од ним из основных элементов многофункционального логического устройства сравнения. Предложена классификация методов косвенного определения ошибки по у гловой скорости (вариантов построения блока определения частотного рассогласования сравниваемых импульсных последовательностей) и разработаны функциональные схемы блока определения ч а стотного рассогласования, реализующие косвенные методы определения ошибки по угловой скорости в синхронно-синфазном электроприводе. Ключевые слова: электропривод с фазовой синхронизацией, синхронно-синфазный электропривод, логическое устройство сравнения, дискриминатор. Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований. Проект № 16-08-00325а «Разработка и исследование способов управления синхронно-синфазным электроприводом, реализованных на основе комплексного подхода к обеспечению высоких показателей качества регулирования в широком диапазоне угловых скоростей в режимах стабилизации и слежения».
Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ), построенные на основе электропривода с фазовой синхронизацией (ЭПФС), применяются в узлах оптико-механической развертки обзорно-поисковых и сканирующих систем, в том числе в системах лазерного сканирования, в системах технического зрения современных робототехнических комплексов, видео-записывающей аппаратуры, в копировальных установках, что обусловлено их высокими точностными и динамическими показателями в широком диапазоне регулирования угловой скорости [1—7].
Одно из перспективных направлений развития теории электропривода связано с сокращением используемых в электроприводе датчиков, разработкой косвенных методов измерения требуемых параметров и, в конечном итоге, переходом на проектирование бездатчиковых электроприводов. В ЭПФС благодаря использованию цифрового логического устройства сравнения частот и фаз входных импульсных последовательностей появляется возможность косвенного определения ошибки по углу, ошибки по угловой скорости и углового уско-
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема синхронно-синфазного электропривода
рения путем логической обработки импульсных сигналов задания и обратной связи [8].
Обобщенная функциональная схема ССЭ (рис. 1) выполнена в виде двухконтурной системы автоматического управления (САУ), включающей в себя внутренний контур — ЭПФС, реализованный на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), и внешний контур управления доворотом вала электродвигателя в заданное начальное угловое положение (фазирования), соответствующее началу строки сканирования, управление которыми осуществляется от блока задания частоты БЗЧ, формирующего импульсы опорной частоты /оп (задания частоты вращения электропривода) и импульсы угловой привязки (задания начального углового положения вала электродвигателя) _Роп.
Электропривод с фазовой синхронизацией состоит из логического устройства сравнения ЛУС частот и фаз двух импульсных последовательностей: задания /п и обратной связи /ос; формируемой на выходе импульсного датчика частоты вращения ИДЧ, расположенного на валу электродвигателя ЭД, корректирующего устройства КУ и силового преобразователя СП.
Внешний контур фазирования включает в себя датчик положения вала электродвигателя ДП, формирующий импульсы индикации текущего положения вала электродвигателя Foz, и фазирующий регулятор ФР, содержащий блок определения фазового рассогласования БОФР импульсов частот Гоп и Гос (пропорционального угловой ошибке Да электропривода), блок определения частотного рассогласования БОЧР входных импульсных последовательностей /п и /с (пропорционального ошибке по частоте вращения Дю электропривода) и блок управления БУ угловым положением вала электродвигателя. Фазирующий регулятор преобразует по определенному закону импульсы задающей частоты /оп в импульсы входной задающей частоты ЭПФС /'оп.
Блок определения фазового рассогласования и блок определения частотного рассогласования образуют многофункциональное логическое устройство сравнения (МЛУС). Датчик положения и импульсный датчик частоты вращения ИДЧ образуют блок импульсных датчиков БИД, расположенный на валу электродвигателя.
В качестве ЛУС в системах фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) [8]. Алгоритм работы ИЧФД основан на логической обработке порядка следования импульсов частот / п и /ос, и по результатам анализа дискриминатор устанавливается в один из трех следующих режимов работы:
— режим насыщения при разгоне (Р) электропривода (/оп >/0с- у=1);
— режим фазового сравнения (П — пропорциональный) дискриминатора (/оп » /ос, у = Аф, где Аф — фазовое рассогласование импульсов частот /оп и /ос);
— режим насыщения при торможении (Т) электропривода (/оп < у = 0 ).
Переход из одного режима в другой осуществляется в моменты прихода двух импульсов одной из сравниваемых частот между двумя импульсами другой частоты.
Целью статьи является разработка классификации методов косвенного определения ошибки по угловой скорости в электроприводе с фазовой синхронизацией и разработка схемных решений по построению БОЧР, являющегося одним из основных элементов многофункционального логического устройства сравнения (МЛУС).
В современных системах управления ЭПФС и ССЭ применяются методы косвенного определения ошибки по угловой скорости, реализованные в БОЧР, входящем в состав МЛУС. Основу многофункционального логического устройства сравнения составляет импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) с расширенными функциональными возможностями [9]:
— индикация режимов работы ИЧФД (Р, П, Т);
— индикация моментов времени изменения режима работы ИЧФД (0/2 — ситуации отсутствия импульсов обратной связи между двумя соседними импульсами опорной частоты, 2/2 — ситуации прохождения двух импульсов обратной связи между двумя соседними импульсами опорной частоты).
На основе ИЧФД с расширенными функциональными возможностям могут быть реализованы методы косвенного определения ошибки по угловой скорости, классификация методов приведена на рис. 2.
Известные методы косвенного определения ошибки по угловой скорости реализуются в трех основных вариантах построения блока определения частотного рассогласования (БОЧР).
В первом варианте построения БОЧР (рис. 3) осуществляется подсчет повторяющихся совпадений во времени импульсов частот / и / . При
оп ос
использовании двухразрядного счетчика импульсов определяется область текущих значений ошибки по угловой скорости Дю [8]:
|Дю| < 2 • t • j0 • f
(1)
где т — длительность импульсов /оп и /ос;
ф0 — угловое расстояние между соседними метками
ИДЧ.
2
Рис. 2. Классификация методов косвенного определения ошибки по угловой скорости и вариантов построения БОЧР
Совпадение во времени импульсов /оп и /с определяется с помощью логического элемента И, совпадение во времени пауз импульсных сигналов fm и f^ определяется с помощью логического элемента ИЛИ — НЕ. Первый двухразрядный счетчик импульсов подсчитывает количество повторных совпадений входных импульсов. Сброс счетчика импульсов в нулевое состояние осуществляется при появлении между совпадающими импульсами двух совпадений пауз импульсных сигналов, что позволяет не подсчитывать единичные совпадения входных импульсов. Сброс второго счетчика импульсов в нулевое состояние осуществляется при появлении совпадающих входных импульсов, что позволяет вернуть схему в исходное состояние. При появлении двух повторных совпадений входных импульсов первый счетчик импульсов устанавливается в состояние «10», срабатывает одновибратор ОВ, сигнализируя о нахождении электропривода в заданной области ошибки по частоте вращения.
Из выражения (1) следует, что определяемая область ошибки по частоте вращения зависит от опорной частоты. В то же время синхронизация ЭПФС на любой заданной частоте вращения происходит в области начальных условий Aw < Awr, где
Awr = д/2 • ф0 • em , где em — максимальное ускорение электродвигателя в режимах насыщения ИЧФД. Для расширения диапазона рабочих угловых скоростей электропривода может быть использовано регулирование длительности t импульсов частоты fm в зависимости от заданной угловой скорости t = К / fon2, где К = const (рис. 4, где ПЧК — преобразователь частота — код, ФДИ — формирователь длительности импульсов).
При использовании n-разрядного счетчика совпадающих импульсов (рис. 5) подсчитывается количество повторяющихся совпадений импульсов N, полученное значение переписывается в регистр и по нему вычисляется текущее значение ошибки по угловой скорости (при разгоне электропривода) [8]:
Aw =
Фо
e • N • T
m оп
N • Г
(2)
Рис. 3. Функциональная схема БОЧР 1 с определением ситуации повторного совпадения во времени входных импульсов
Рис. 4. Функциональная схема БОЧР 1 с коррекцией длительности импульсов f
где s =
; Т = 1/f
Для защиты от ложных срабатываний БОЧР при большой ошибке по частоте вращения, когда за время прохождения одного импульса частоты /ос проходят несколько импульсов частоты / , в схему БОЧР дополнительно вводят ИБ-триггер и второй логический элемент И (рис. 6).
Рис. 5. Функциональная схема БОЧР 1 с подсчетом количества повторяющихся совпадений входных импульсов
с -
2
t +1
оп
Рис. 6. Функциональная схема БОЧР 1 с зашитой от ложных срабатываний при больших значениях ошибки по угловой скорости
Рис. 7. Функциональная схема БОЧР 2 с подсчетом импульсов задающей частоты между ситуациями 0/2 или 2/2
ИЧФД 2/2 1
0/2
Г
"С СТ2
и ки
Я Р <с
N
=>
Рис. 8. Функциональная схема БОЧР 2 с подсчетом импульсов высокой частоты между ситуациями 0/2 или 2/2
Во втором варианте построения БОЧР осуществляется подсчет импульсов тактовой частоты /оп между двумя ситуациями 0/2 или 2/2 (рис. 7). Ошибка по угловой скорости рассчитывается по формуле:
Дю =
Фо
N • Т
е • N • Т
т о1
2
(3)
При использовании данного метода косвенного измерения ошибки по частоте вращения исчезает зависимость от длительности входных импульсов и повышается точность измерения за счет увеличения значения N, подсчитываемого на интервале между ситуациями 0/2 или 2/2 (в данном методе подсчитываются все импульсы частоты /оп, а в предыдущем — только совпадающие с импульсами частоты / ).
ос'
В качестве источника тактовой частоты может быть использован независимый генератор импульсов /г (рис. 8) или высокочастотный генератор импульсов в БЗЧ [8]. Определение ошибки по угловой скорости рассчитывается по формуле:
Дю =
Ф0
N • Т
2
(4)
где Тг=1//г.
В этом случае в формуле отсутствует переменная величина Т (заменяется постоянной величиной Т),
оп г
что упрощает процедуру вычисления, и, кроме того, точность измерения Дю может быть повышена за счет выбора частоты / > / , при этом значение N.
г оп
подсчитываемое на интервале между ситуациями 0/2 или 2/2, увеличивается.
В третьем варианте построения БОЧР формируется дополнительная опорная последовательность импульсов с частотой /п (рис. 9, где ГВЧ — генератор высокой частоты, ДЧ — управляемый делитель частоты, ВУ — вычислительное устройство), близкой к текущему значению частоты следования импульсов в канале обратной связи /ос [10]. На основе данной частоты определяется значение ошибки по угловой скорости Дю', которое в дальнейшем пересчитыва-ется на реальное значение ошибки по угловой скорости путем добавления разности АюП между заданной угловой скоростью юЗ и угловой скоростью, соответствующей дополнительной подстраиваемой
частоте / :
п
Дю = Дю' + Аюг
Аю' = ф
N • Т
Аю„ = юз "®„ = Ф0 • /г
Nn
N
е • N • Т
т п
е т • N • Т
2
1
1
50
Рис. 9. Функциональная схема БОЧР 3 с подсчетом импульсов подстраиваемой частоты между ситуациями 0/2 или 2/2 и последующей коррекцией
Аю
è N - T 2 J T0 г I N „,
No
(5)
Данный метод определения ошибки по угловой скорости позволяет получать более точные значения при больших отклонениях текущей угловой скорости от заданной. Первое слагаемое в выражении (5), соответствующее Аю', дает большую точность измерения по сравнению с выражением (3), т.к. при выборе /п » f^ происходит значительное увеличение Мп и снижение погрешности (1/NJ его измерения. Второе слагаемое в выражении (5), соответствующее АюП, может быть рассчитано с высокой точностью, т.к. входящие в его состав аргументы характеризуются высокой точностью.
Анализ выражений (1—5) показывает, что основными аргументами, влияющими на точность вычисления ошибки по угловой скорости, являются em и N. Реальное угловой ускорение в режимах насыщения ЛУС может изменяться в зависимости от режима работы ЛУС и текущей угловой скорости электропривода. Для получения его более точного значения можно использовать косвенный метод измерения e m [8]. Погрешность, вносимая измеренным значением N, определяется как 1/N (погрешность целочисленного значения N). Поэтому более перспективными являются схемные решения БОЧР 2 и БОЧР 3, реализующие косвенные методы измерений ошибки по угловой скорости, путем подсчета количества импульсов между ситуациями 0/2 или 2/2. При больших ошибках по угловой скорости достаточную точность измерений может обеспечить только БОЧР 3.
Рассмотренные варианты построения БОЧР могут эффективно применяться при построении ЭПФС и ССЭ с улучшенными динамическими показателями, в режимах синхронизации и фазирования. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании современных ССЭ для сканирующих и обзорно-поисковых систем.
Библиографический список
1. Трахтенберг Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М.: Энергоиздат, 1982. 169 с.
2. Hsieh G. C., Hung J. C. Phase-Locked Loop Techniques. A Survey // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1996. Vol. 43, Issue 6. P. 609-615. DOI: 10.1109/41.544547.
3. Best R. E. Phase-Locked Loops: Design, Simulation, and Applications. NY: McGraw-Hill, 2003. 421 p.
4. Wu Y., Zhao H., Zhao N. PLL Control System Based on FPGA for Brushless DC Motor // Proc. of the 33rd Chinese Control Conf. Nanjing, China, 2014. P. 7897-7902. DOI: 10.1109/ CHiC.2014.6896319.
5. Pan C.-T., Fang E. A Phase-Locked-Loop-Assisted Internal Model Adjustable-Speed Controller for BLDC Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55, Issue 9. P. 3415-3425. DOI: 10.1109/TIE.2008.922600.
6. Zhang J., Zhao H., Ma K. Phase-Locked Loop in Constant Speed Control for the Flywheel Motor // Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. 2012. Vol. 6. P. 323-330. DOI: 10.1007/978-3-642-25778-0_45.
7. Lanza P. T., Shtessel Y. B., Stensby J. L. Improved Acquisition in a Phase-Locked Loop Using Sliding Mode Control Techniques // Journal of the Franklin Institute. 2015. Vol. 352 (10). P. 4188-4204. DOI: 10.1016/j.jfranklin.2015.06.001.
8. Бубнов А. В., Чудинов A. H. Улучшение динамики электропривода сканирующих систем на основе косвенных методов измерения ошибки по угловой скорости: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. 100 с.
9. Bubnov A. V., Gokova M. V., Chetverik A. N. Features of constructing a logical device for comparing systems with a frequency phase-locked loop // Measurement Techniques. 2016. Vol. 59, Issue 9. P. 985-989.
10. Пат. 2608177 Российская Федерация, МПК H 02 Р 6/06, 7/06, 21/06. Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя и устройство для его осуществления / Бубнов А. В., Емашов В. А., Чудинов A. H. № 2015122321; заявл. 10.06.2015; опубл. 17.01.2017, Бюл. № 2.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрическая техника». Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru. ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры «Электрическая техника». Адрес для переписки: alina.an@mail.ru. ЧУДИНОВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника».
Адрес для переписки: chudinov_al@mail.ru
Статья поступила в редакцию 16.08.2017 г. © А. В. Бубнов, А. Н. Четверик, А. Н. Чудинов
1
