Особенности использования импульсного частотно-фазового дискриминатора с расширенными функциональными возможностями при построении современных систем синхронно-синфазного электропривода

Бубнов Алексей Владимирович; Четверик Алина Наилевна

УДК «-«3 А. В. БУБНОВ

А. Н. ЧЕТВЕРИК

Омский государственный

технический университет

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО ДИСКРИМИНАТОРА С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА_

Синхронно-синфазный электропривод широко используются в тепловизион-ных и лазерных сканирующих системах благодаря высоким точностным характеристикам в широком диапазоне регулирования угловой скорости. Целью статьи является рассмотрение особенностей применения импульсного частотно-фазового дискриминатора с расширенными функциональными возможностями при реализации различных способов управления электроприводом с фазовой синхронизацией и синхронно-синфазным электроприводом. Предложена классификация способов управления электроприводом с фазовой синхронизацией и синхронно-синфазным электроприводом и представлены функциональные схемы, при реализации которых используются дополнительные функциональные возможности импульсного частотно-фазового дискриминатора: индикация режимов работы и моментов времени изменения режима работы импульсного частотно-фазового дискриминатора.

Ключевые слова: электропривод с фазовой синхронизацией, синхронно-синфазный электропривод, фазовая автоподстройка частоты, логическое устройство сравнения, импульсный частотно-фазовый дискриминатор, способ регулирования.

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) БЗЧ, формирующего импульсы опорной частоты /оп находят широкое применение в обзорно-поисковых (задания частоты вращения электропривода) и ими сканирующих системах, в том числе системах пульсы угловой привязки (задания начального по-лазерного сканирования, в системах технического ложения вала электродвигателя) Роп. зрения современных робототехнических комплек- Контур ФАПЧВ состоит из логического устрой-сов, видеозаписывающей аппаратуры, копироваль- ства сравнения ЛУС частот и фаз двух импульсных ных установках, что обусловлено их высокими точ- последовательностей: задания/'оп и обратной связи ностными показателями и широким диапазоном / , формируемой на выходе импульсного датчика Р регулирования угловой скорости [1]. частоты вращения ИДЧ, корректирующего устрой-Функциональная схема синхронно-синфазного ства КУ, силового преобразователя СП и элек-электропривода (рис. 1) выполнена в виде двух- тродвигателя ЭД. Внешний контур фазирования контурной системы автоматического управления включает в себя датчик положения вала электро-[2], включающей в себя внутренний контур фа- двигателя ДП (формирующий импульсы положения зовой автоподстройки частоты вращения ФАПЧВ вала электродвигателя Гос) и фазирующий регуля-и внешний контур фазирования, управление ко- тор ФР, содержащий блок определения фазового торыми осуществляется от блока задания частоты рассогласования БОФР импульсов частот Р и Рс,

о

Рис. 1. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода

Рис. 2. Функциональная схема ИЧФД с дополнительными функциональными возможностями

Рис. 3. Классификация вариантов применения ИЧФД с расширенными функциональными возможностями

пропорционального угловой ошибки Да электропривода, и блок регулирования БР угловой ошибки, по определенному закону преобразующий импульсы задающей частоты f в импульсы входной частоты контура ФАПЧВ f'on. Датчик положения и ИДЧ образуют блок импульсных датчиков БИД, расположенных на валу электродвигателя.

В качестве ЛУС широко используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) [2]. Алгоритм работы ИЧФД основан на обработке порядка следования импульсов частот fon и f , и по результатам анализа дискриминатор устанавливается в требуемый режим работы. Импульсный частотно-фазовый дискриминатор функционирует в трех режимах:

— режим насыщения при разгоне (Р) электропривода fn >f^ у=1);

— режим фазового сравнения (П — пропорциональный) дискриминатора f и f , у = Дф, где Дф — фазовое рассогласование импульсов частотfnwf );

— режим насыщения при торможении (Т) электропривода fn < j'c Y = 0).

Переход из одного режима в другой осуществляется в моменты прихода двух импульсов одной из сравниваемых частот между двумя импульсами другой частоты.

Функциональная схема ИЧФД [3] приведена на рис. 2, где ФД — фазовый дискриминатор; ФИ — формирователь импульсов; ЭЗ — элемент задержки; СЛБ — схема логической блокировки. В данной схеме реализованы дополнительные функциональные возможности ИЧФД:

— индикация текущего режима работы ИЧФД (Р, П, Т);

— индикация моментов времени изменения режима работы ИЧФД (0/2 — ситуация прохождения нуля импульсов частоты f между двумя импульса-

ми частоты /оп, 2/2 — ситуация прохождения двух импульсов частоты /ос между двумя импульсами частоты [ ).

оп'

Дополнительные функциональные возможности схемы ИЧФД могут быть эффективно использованы при построении современных систем синхронно-синфазного электропривода [4].

Целью статьи является рассмотрение особенностей применения ИЧФД с расширенными функциональными возможностями при реализации различных способов управления электроприводом с фазовой синхронизацией (ЭПФС), представляющим собой внутренний контур ССЭ (рис. 1), и синхронно-синфазным электроприводом.

Классификация вариантов применения дополнительных возможностей ИЧФД приведена на рис. 3.

В первую очередь рассмотрим варианты использования в системе автоматического управления (САУ) электропривода сигналов индикации режимов работы ИЧФД.

В ЭПФС, реализующем способ регулирования с введением корректирующих сигналов в основной канал регулирования в режимах насыщения ИЧФД (рис. 4, где СВ — сумматор-вычитатель; ДУ — дифференцирующее устройство, УК — управляемый ключ, ЧИБ — частотно-измерительный блок, С — сумматор [5], сигналы индикации режимов работы Р и Т используются для построения ФД с расширенной до 3ф0 линейной рабочей зоной, где ф0 — угловое расстояние между соседними метками ИДЧ, что позволяет осуществлять дифференцирование сигнала фазовой ошибки в более широком диапазоне изменения Дф).

При реализации способа квазиоптимальной по быстродействию синхронизации [6] в САУ ЭПФС используется сигнал П индикации режима фазового сравнения ИЧФД для определения момента

Рис. 4. Функциональная схема ЭПФС с расширенной линейной зоной ФД

Рис. 8. Функциональная схема ССЭ с пошаговым режимом фазирования

Рис. 5. Функциональная схема ЭПФС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием

Рис. 6. Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию регулированием в режиме фазирования

Рис. 7. Функциональная схема ЭПФС с опережающей разблокировкой ИЧФД

времени подключения корректирующего сигнала, пропорционального ошибке по угловой скорости Дю, в основной канал регулирования электропривода (рис 5, где СМ — сумматор, БУ — блок управления).

При реализации квазиоптимального по быстродействию способа фазирования [7] в САУ ССЭ используется сигнал П индикации режима фазового сравнения ИЧФД для определения момента времени запуска процесса фазирования (рис. 6, где ДЧ — делитель частоты, И — интегратор; ГУН — генератор, управляемый напряжением).

Рис. 9. Функциональная схема ССЭ с предварительным квазиоптимальным по быстррдействию режимом фазирования

Рассмотрим варианты использования в системе автоматического управления электропривода сигналов индикации моментов времени (0/2 и 2/2) изменения режимов работы ИЧФД.

В ЭПФС, реализующем способ регулирования с опережающей разблокировкой ИЧФД (рис. 7, где БСИ — блок сравнения частот, ГВЧ — генератор высокой частоты, СС — схема сравнения, ОВ — одновибратор), сигналы индикации моментов времени изменения режимов работы ИЧФД используются для косвенного определения Дю [8] путем подсчета количества импульсов высокой частоты между двумя соседними импульсами 0/2 или 2/2. По результатам измерения вычисляются значения Дю в моменты прихода импульсов 0/2 или 2/2, используемые для определения момента времени опережающего перевода ЭПФС в режим замкнутого управления.

При реализации пошагового способа фазирования [9] в САУ ССЭ используются сигналы индикации моментов времени изменения режимов работы ИЧФД для непрерывного косвенного измерения угловой ошибки электропривода Да (рис. 8, где ФДИ — формирователь дополнительных импульсов, БСИ — блок суммирования импульсов, СМ — смеситель). Начальное значение угловой ошибки определяется путем подсчета импульсов / между импульсом угловой привязки Гоп и импульсом в цепи обратной связи Рос один раз за оборот вала электродвигателя. В моменты прихода импульсов 0/2 или 2/2 происходит корректировка ранее определенного значения Да на величину ±ф0. Данный косвенный метод измерения угловой ошибки

может быть использован при реализации любого способа фазирования ССЭ.

При реализации квазиоптимального по быстродействию способа предварительного фазирования [10, 11] в САУ ССЭ используются сигналы индикации моментов времени изменения режимов работы ИЧФД для косвенного измерения угловой ошибки Да (в БОФР) и ошибки по угловой скорости Дю [12] электропривода (рис. 9, где ВУ — вычислительное устройство; ПЧК — преобразователь «частота — код») для организации и управления электроприводом в режиме предварительного фазирования.

Анализ рассмотренных вариантов применения ИЧФД с расширенными функциональными возможностями в ЭПФС и ССЭ показывает, что сигналы индикации режимов работы могут использоваться в различных способах управления электроприводом для организации более эффективного функционирования САУ, а сигналы индикации моментов изменения режимов работы ЭПФС целесообразно использовать при реализации косвенных методов измерения угловой ошибки и ошибки по угловой скорости в системах управления электроприводом.

Материалы статьи могут быть использованы при проектировании прецизионных электроприводов для сканирующих систем.

Библиографический список

1. Трахтенберг, Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением / Р. М. Трахтен-берг. — М. : Энергоиздат, 1982. — 168 с.

2. Бубнов, А. В. Современное состояние и перспективы развития теории синхронно-синфазного электропривода : мо-ногр. / А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова, В. Л. Федоров. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 104 с.

3. Пат. 2469461 РФ, МПК И03Б 13/00. Частотно-фазовый компаратор / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Бубнова Т. А. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. -№ 2011134538/08 ; заявл. 17.08.2011 ; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34. - 2 с.

4. Бубнов, А. В. Новые принципы и способы организации управления синхронно-синфазным электроприводом сканирующих систем / А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова, А. Н. Чудинов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 1 (107). - С. 192-196.

5. А. с. 1508384 СССР, МКИ2 Н02 Р 5/06. Стабилизированный электропривод / А. В. Бубнов, В. Г. Кавко, А. М. Сутор-мин ; заявл. 02.11.87 ; опубл. 15.09.89, Бюл. № 34. - 4 с.

6. Пат. 2585241 РФ, МПК Н02Р 7/292 (2006.01). Стабилизированный электропривод / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Четверик А. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2015117067/07 ; заявл. 05.05.2015 ; опубл. 27.05.2016, Бюл. № 15. - 2 с.

7. Пат. 145048 РФ, МПК Н02Р 5/00, Н02Р 5/50 (2006.01). Устройство для согласования углового положения синхронно-вращающихся валов электродвигателей постоянного тока / Бубнов А. В., Гокова М. В., Чудинов А. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2014117805/07 ; заявл. 29.04.2014 ; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. - 2 с.

8. Пат. 2467465 РФ, МПК Н02Р 7/14. Стабилизированный электропривод / Бубнов А. В., Бубнова Т. А., Чудинов А. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. -№ 2011143084/07 ; заявл. 25.10.2011 ; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32. - 10 с.

9. Пат. 163922 РФ, МПК Н02Р 7/06, Н02Р 7/14, Н02Р 7/285 (2006.01). Синхронно-синфазный электропривод / Бубнов А. В., Четверик А. Н., Чудинов А. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2016104585/07 ; заявл. 10.02.2016 ; опубл. 20.08.2016, Бюл. № 23. - 2 с.

10. Пат. 145335 РФ, МПК Н02Р 7/06, Н02Р 7/285, G05B11/30 (2006.01). Устройство для фазирования вращающегося вала электродвигателя / Бубнов А. В., Емашов В. А., Чудинов А. Н., Гокова М. В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2014115372/07; заявл. 16.04.2014 ; опубл. 20.09.2014, Бюл. № 26. - 2 с.

11. Пат. 2475932 РФ, МПК Н02Р 5/52, G05D 13/62 (2006.01). Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя и устройство для его осуществления / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2011137915/07 ; заявл. 14.09.2011 ; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5. - 2 с.

12. Bubnov, A. V. Measurement methods for angular acceleration and errors for angular velocity of synchrophase electric drive / A. V. Bubnov, V. A. Emashov, A. N. Chudinov, A. N. Alpysova // Measurement Techniques, Vol. 57, № 8, USA, New York, Springer US, 2014. - P. 860-865.

БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрической техники. Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры электрической техники. Адрес для переписки: alina.an@mail.ru

Книжная полка

Важов, В. Техника высоких напряжений : учеб. / В. Важов, В. Лавринович. - М. : Инфра-М, 2016. -264 с. - 18БЫ978-5-16-010565-9.

Изложены основы техники высоких напряжений применительно к электроэнергетике. Освещены физические аспекты электроразрядных процессов в газообразных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках. Описаны конструкции внешней изоляции линий электропередачи и подстанций; рассмотрены основные принципы построения изоляции оборудования высокого напряжения (силовых трансформаторов, высоковольтных конденсаторов, кабелей, электрических машин, коммутационных аппаратов); кратко освещены вопросы назначения и построения высоковольтных испытательных установок, испытания и измерения, а также описаны внутренние и атмосферные перенапряжения в электрических системах, меры и средства защиты от них.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика», также может быть полезен инженерно-техническим работникам предприятий, энергосистем и проектных институтов.