CC BY
47
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
*
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62-83:004.9 А. В. БУБНОВ
М. В. ГОКОВА В. Н. ГОРЮНОВ В. А. ЕМАШОВ А. Н. ЧУДИНОВ
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ
СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ
КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ
УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ
И ОШИБКИ РЕГУЛИРОВАНИЯ
ПО УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
В статье предлагаются методы косвенного измерения углового ускорения и ошибки регулирования по угловой скорости.
Ключевые слова: синхронно-синфазный электропривод, логическое устройство сравнения, косвенное измерение угловой скорости, косвенное измерение углового ускорения, фазирование, синхронизация.
Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) визуального контроля продукции, установках фото-находят широкое применение в обзорно-поисковых телеграфной и видеозаписывающей аппаратуры, и сканирующих системах и устройствах, в систе- копировальных установках, что обусловлено их вы-мах технического зрения современных робототех- сокими точностными показателями, широким диа-нических комплексов, системах автоматического пазоном регулирования угловой скорости и высо-
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема синхронно-синфазного электропривода
/ап ИЧФД
/ос Ь»
к к
► чд А ОВ
►
Рис. 2. Функциональная схема логического устройства сравнения
ким быстродействием [1]. Синхронно-синфазный электропривод строится на основе двухконтурной схемы (рис. 1).
Астатизм по частоте вращения и высокая точность регулирования электропривода по углу обеспечивается внутренним контуром синхронизации, построенным на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [2]. Контур фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) электропривода включает в себя логическое устройство сравнения (ЛУС), корректирующее устройство (КУ), электродвигатель (ЭД) и импульсный датчик частоты (ИДЧ).
Внешний контур фазирования служит для начальной установки углового положения вала электродвигателя, что вызвано необходимостью установки положения призмы узла оптико-механической развертки (ОМР), соответствующего началу строки развертки сканируемого изображения в момент прихода импульса Fоn. Контур фазирования включает в себя блок определения углового рассогласования (БОУР), блок регулирования угловой ошибки (БР), контур ФАПЧВ и датчик положения ДП.
Управление внешним и внутренним контурами осуществляется от блока задания частоты (БЗЧ), формирующего импульсные сигналы и Foa. Опор-
ная частота /п задает частоту вращения электропривода, определяется кодом задания N. Частота импульсов угловой привязки Fоп связана с опорной частотой ^п через коэффициент деления цифрового делителя частоты, входящего в состав БЗЧ, и определяется как
где т — количество граней призмы узла ОМР, а z — количество радиальных меток ИДЧ.
Организация управления ССЭ осуществляется в соответствии с принципом разделения во времени процессов синхронизации и фазирования [3], который не позволяет получить высокое быстродействие ЭП и приводит к значительным потерям информации в сканирующей системе.
Для разработки и реализации высокоэффективных, с точки зрения улучшения динамики электропривода, способов управления [4] необходимо процесс фазирования начинать до момента фазовой синхронизации, а для этого необходимо с высокой точностью определять ошибку по угловой скорости и угловое ускорение ССЭ. Известные методы определения ошибки по угловой скорости и углового ускорения либо сложны в реализации (различные способы интерполяции импульсных сигналов датчика частоты вращения, алгоритмы определения оптимальной с точки зрения точности и быстродействия дискретизации этих датчиков и т. п.) либо имеют значительные ограничения по диапазону измеряемой величины.
Целью работы является разработка методов косвенного измерения ошибки по угловой скорости и углового ускорения ССЭ, основанных на анализе взаимного порядка следования импульсов опорной частоты и импульсов обратной связи в режимах насыщения логического устройства сравнения.
В качестве логического устройства сравнения двух импульсных последовательностей обычно используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД), который может быть построен на основе различных алгоритмов работы, отличающихся реализуемыми функциональными возможностями дискриминатора и критериями сравнения входных частот [1]. Наиболее часто используется алгоритм работы ИЧФД, при котором изменение режима работы происходит в случае прохождения двух или более импульсов одной из сравниваемых частот между двумя соседними импульсами другой частоты.
Логическое устройство сравнения обеспечивает три режима работы электропривода: разгон с максимальным ускорением ет (при /оп>/ос), пропорциональный (синхронный, /оп~/ос) и торможение с максимальным ускорением (при /оп</ос). При разгоне и торможении система автоматического управления работает в разомкнутом режиме, а при переходе электропривода в синхронный режим — в замкнутом. Благодаря такому алгоритму работы обеспечивается высокое быстродействие электропривода в режимах пуска и отработки изменения заданной частоты вращения, а так же высокая точность регулирования угловой скорости в синхронном режиме работы.
При использовании рассмотренного алгоритма работы ЛУС переход ССЭ в режим синхронизации осуществляется после изменения знака ошибки по угловой скорости Дю [1]. Для повышения быстродействия ЭП используется способ регулирования с опережающей разблокировкой ИЧФД в режим фа-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Рис. 3. Функциональная схема частотного дискриминатора
зового сравнения с помощью дополнительного частотного дискриминатора (ЧД) [1] (рис. 2, где ОВ — одновибратор), позволяющий осуществить перевод электропривода в пропорциональный режим работы до изменения знака ошибки по угловой скорости.
Для реализации данного способа предлагаются различные варианты построения ЧД, различающиеся алгоритмами работы и точностью вычисления значения ошибки по угловой скорости электропривода.
В качестве ЧД может использоваться схема, алгоритм работы которой основан на использовании критерия равенства частот входных сигналов появление повторяющейся ситуации наложения во времени входных импульсов ЧД /опи /ос [5] (рис. 3, где ФКИ — формирователи коротких импульсов стабильной длительности т , т ).
“ оп' ос'
При последовательном двукратном повторении ситуации наложения во времени импульсов / и / их периоды отличаются друг от друга на величину, не превышающую сумму длительностей импульсов
т + т , то есть
оп ос
Тш + (*<»+ V) > Тос > Топ -(Тот + О .
Для обратных величин можно записать
1
1
-> — >-
1
Г<ш - (Т„ + V) Тос Г«, + (*» + V )
или
— >4>—,
1—су 1+а
где а=(т +т )/Т
^ ' оп ос' оп .
После преобразования получаем
4„(1+т^-)>4>4„(1-т^-).
1-а 1+ст
При использовании формирователей коротких импульсов а<<1 получим
где Д/и/ а.
оп
С учетом того, что юз = /опФ0, где ф0 = 2п/г, выражение примет вид
м,, + Дй)0>а)>ш,,-Дй)0,
где Дю0«юза —максимальное отклонение угловой скорости электропривода от заданной в момент опережающей разблокировки ИЧФД в режим фазового сравнения.
Выражение для фактического отклонения угловой скорости электропривода от заданной в момент выполнения опережающей разблокировки ИЧФД из режима разгона в режим фазового сравнения (Дю ), может быть представлено в виде [2]:
Аю<Аю0=шд(1:°л+Т°с).
Рассмотренная схема ЧД обладает следующими недостатками:
1) отсутствует определение фактической величины Дюк (определяется только диапазон ее возможных значений Дю0),
2) существует зависимость диапазона возможных значений угловой скорости Дюд от заданной частоты вращения (ю0 = аюз).
Для определения ошибки по угловой скорости Дю в режимах насыщения ЛУС предлагается [6, 7] использовать методы косвенного определения Дю основанные на определении временного интервала Д{ за который угловое рассогласование Да электропривода измениться на известную заранее величину путем логической обработки последовательности импульсов сравниваемых ЛУС частот — / с / .
■' 1 оп ос
Для нахождения зависимости Дюк=/(Д^ Да), проведем анализ работы ЛУС в режиме насыщения, при приближении значения частоты обратной связи /ос к опорной частоте /оп. На рис. 4 представлен фазовый портрет работы электропривода с фазовой синхронизацией в режиме разгона [2].
Время Дt соответствует интервалу времени между начальным моментом времени ^ и конечным — ^, за который угловая скорость изменится от значения Дюн до значения Дюк, а ошибка по углу Да изменится на величину, равную Дад.
Рис. 4. Фазовый портрет работы электропривода с фазовой синхронизацией
I +М>1 >1 -М ,
*ОЛ 1 ОС ^ -*ол '
и
/ос
л
4
Рис. 5. Временные диаграммы импульсов / , / и /
Запишем систему уравнений для фазовых траекторий в координатах Да и Дю фазовой плоскости:
Да = а3 - а = |ю3 (И соИ = | АазсИ Дсо = со3-со = со3-|єІпгіґ. '
где аз и а — заданное и фактическое угловое положение вала электродвигателя, юз и ю — заданная и фактическая угловая скорость ЭП.
В режиме разгона электродвигателя с максимальным ускорением 8т угловая скорость ю с момента времени t изменяется по закону
а> = ю„+єш(і-У.
(1)
Дш„ =Дга„ +є„Дґ.
(3)
Да0 = |ДсоЛ,
или с учетом выражения (2)
(4)
Да„ = Доо„Д( -
в_ДГ
Проведя замену Дюн на Дюк, в соответствии с выражением (3), после преобразований получим:
Да„ = Дш„Д{ +
(5)
Выразив из полученного уравнения Дюк, получим: 2Да„ -є_Д(2 (6)
Дш„ =-
2Д(
Ошибка по угловой скорости электропривода может быть записана в виде
Дга = а>3-юн-еш((-у.
С учетом того, что
®3-®н=А®н,
получаем
Дсо = Дшя-еш(е-^). (2)
Подставляя в данное выражение t=t , получаем для промежутка времени Дt=t — tн:
До, = До„ -е„Д(,
Таким образом, для косвенного определения ошибки по угловой скорости достаточно определить время, за которое угловое рассогласование Да электропривода измениться на величину, равную Да0 Было разработано два метода определения величин, необходимых для расчета ошибки по угловой скорости.
Первый метод [2, 6, 7] основан на подсчете количества повторяющихся во времени ситуаций совпадений импульсов опорной частоты f длительностью f и частоты обратной связи f длительностью
оп 1 ос ^
^с (рис. 5) на интервале Дt=t— tн, где tн — время начала подсчета совпадающих импульсов, а ^ — время окончания подсчета совпадающих импульсов, т.е. время первого несовпадения f с fос.
За время Дt значение Да изменяется при разгоне на величину, рассчитываемую заранее и равную:
Аа0=±Ф0(Т-+Т») = ±Ф0а.
ОП
Введем обозначение N для количества повторяющихся во времени ситуаций совпадений импульсов частот f и f на интервале Дt, и Дю и Дю для ошибок
оп ос 1 к н ^
по угловой скорости в моменты времени tк и tн.
С учетом того, что на интервале времени Дt пройдет N импульсов частоты ^п
Для определения угловой ошибки электропривода можно записать выражение
*
Да = |д<в<2(.
С учетом того, что на интервале времени ^ ^ ве-
личина угловой ошибки изменяется на Да0, получаем
Дґ = Д/Топ ,
определим значение Дю при разгоне ЭП
Дю,
2ф0а-бшІУ2^
2ЫТ
(7)
(8)
В режиме торможения в выражении (8) изменяется знак в правой части, тогда в общем виде можно записать:
Дю, =
2ф0а-в.АГ»Г*
2МТ
(9)
или
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Для получения удобной для практического применения зависимости Дюк=/^ целесообразно значение выражения а=(топ + тос)/Топ поддерживать постоянным во всем диапазоне рабочих частот вращения электропривода, что приводит к усложнению его структуры.
Второй метод [2, 6, 8] определения величин, необходимых для расчета ошибки по угловой скорости, лишен указанного недостатка и обладает увеличенной точностью расчета Дюк. Заключается метод в подсчете количества импульсов N опорной частоты / на интервале между двумя соседними моментами времени ^ и ^, соответствующим приходу двух импульсов одной из частот (/п или /с) между двумя соседними импульсами другой частоты и значением фазового рассогласования импульсов частот
Да=ф0/2 + Лф0.
Зависимость текущего значения ошибки по угловой скорости от количества импульсов N выводится из выражения (6) с учетом того, что за время Дt значение Да изменяется на ф0, таким образом,
Дсс0 — ср0,
время Дt определяется согласно выражению (7) так же, как и в первом методе, в этом случае
Дсо„
2%-ешМХ
(10)
В последнем из предложенных выше методов косвенного определения ошибки по угловой скорости для определения этой величины использовался подсчет импульсов опорной частоты, которые формируются путем деления частоты импульсов поступающих с высокочастотного кварцевого генератора. Для обеспечения максимальной точности косвенного определения ошибки по угловой скорости для определения временного интервала, за который угловое рассогласование Да электропривода изменится на величину, равную ф0, рационально подсчитывать непосредственно импульсы с выхода высокочастотного кварцевого генератора [2].
При частоте кварцевого генератора /Г уравнение (10), с учетом того, что Дt= TГN, примет следующий вид:
1А 1 2%-єшМ2Т?
|Ашх| = 2ШГ
Использование высокочастотного кварцевого генератора для определения временного интервала Дt позволяет с высокой точностью определить значения ошибки по угловой скорости Дюк и устраняет зависимость определяемой величины от заданной угловой скорости.
Для повышения быстродействия в переходных режимах работы ССЭ, для разработки более эффективных, с точки зрения динамики, систем управления электроприводом и для повышения точности косвенных методов определения ошибки по угловой скорости целесообразно также определять реальное ускорение электродвигателя [9].
На рис. 6 представлен участок фазового портрета работы электропривода, изображающий две последовательные отработки угловой ошибки Да=ф0 — участки АВ и ВС. Оба участка изображающая точка проходит с ускорением 8р за промежутки времени Д1 и Д1 соответственно, Дю , и Дю „ — начальные
12 ' н1 н2
значения ошибки по угловой скорости для каждого участка, а Дюк1 и Дюк2 — конечные. При этом Дюк1 = = Дю ,.
н2
Считая ускорение на участке АС постоянным, можно определить ускорение на участке ВС
_ А(ож1-А(пж2 ли .
Используя выражение (6), получим 2ф0-уЧ2 2ф0-ЕрА?22
21
2 и
А и
(12)
В результате математических преобразований уравнения (12) получаем следующее выражение:
Є =
2ф„(А^-Ад Д(,Д?2(Д(2 +А^)
с учетом того, что Д= Тг N
о 2ф0(АГ2-АГ,)
Проводя аналогичные вычисления для режима торможения электродвигателя с ускорением 8т, получим выражение, отличающееся от случая разгона ЭП только наличием знака минус. Тогда в общем
виде можем записать, что угловое ускорение движения электродвигателя будет находиться по формулам:
2фо(А?2 — А^)
А£, А£2(А£2 + А^) 2%(М2-М1)
Предложенные методы измерения могут быть использованы при проектировании ССЭ, реализующих высокоэффективные алгоритмы управления в режимах синхронизации и фазирования.
нов А. Н., Емашов М. В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. ун-т. — № 2011120657/07 ; заявл. 20.05. 11 ; опубл. 27.09. 12, Бюл. № 27. - 12 с.
8. Бубнов, А. В. Способ косвенного определения ошибки по частоте вращения в электроприводе с фазовой синхронизацией в режиме насыщения логического устройства сравнения / А. В. Бубнов, В. А. Емашов, А. Н. Чудинов // Омский научный вестник. — 2011. — № 1. — С. 99- 103.
9. Бубнов, А. В. Способ определения углового ускорения синхронно-синфазного электропривода / А. В. Бубнов, В. А. Емашов, Е. Ф. Харченко // Динамика систем, механизмов и машин : материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. — Омск, 2012. — Кн. 1. — С. 99— 102.
или
Библиографический список
1. Бубнов, А. В. Современное состояние и перспективы развития теории синхронно-синфазного электропривода : моногр. / А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова, В. Л. Федоров. — Омск : ОмГТУ, 2010. — 104с.
2. Бубнов, А. В. Улучшение показателей качества регулирования электропривода сканирующих систем : моногр. / А. В. Бубнов, А. Н. Чудинов. — Омск : ОмГТУ, 2012. — 92с.
3. Бубнов, А. В. Способы фазирования электропривода с фазовой синхронизацией / А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова // Электротехника. — 2010. — № 5. — С. 2 — 8.
4. Новые принципы и способы организации управления синхронно-синфазным электроприводом сканирующих систем / А. В. Бубнов [и др.] // Омский научный вестник. — 2012. — № 1. — С. 192— 197.
5. А. с. 1624649 СССР, МКИ5 Н02 Р 5/06. Стабилизированный электропривод / А. В. Бубнов, Б. М. Ямановский (СССР). — № 4647424/24-07 ; заявл. 06.02.89, Бюл. № 4. — 4 с.
6. Бубнов, А. В. Эффективный способ регулирования электропривода с фазовой синхронизацией / А. В. Бубнов, А. Н. Чудинов, В. А Емашов // Известия вузов. Электромеханика. — 2011. — № 5. — С. 46 — 49.
7. Пат. 2462809 Российская Федерация, МПК Н 02 Р 6/06. Стабилизированный электропривод / Бубнов А. В., Чуди-
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника».
ГОКОВА Марина Владимировна, аспирантка, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника».
ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), декан энергетического института, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий». ЕМАШОВ Василий Алексеевич, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника». ЧУДИНОВ Александр Николаевич, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника». Адрес для переписки: chudinov_al@mail.ru.
Статья поступила в редакцию 30.05.2013 г.
© А. В. Бубнов, М. В. Гокова, В. Н. Горюнов, В. А. Емашов, А. Н. Чудинов
Книжная полка
621.311/Э45
Электропитание устройств и систем телекоммуникаций : учеб. пособие для вузов по направлению под-гот. дипломир. специалистов 210400 - «Телекоммуникации» / В. М. Бушуев [и др.]. - М. : Горячая линия - Телеком, 2011. - 383 с.
Рассмотрены вопросы организации электроснабжения предприятий телекоммуникаций и его резервирования. Приведены основные сведения по элементной базе устройств электропитания с учетом последних достижений и тенденций ее развития. Большое внимание при изложении материала уделено принципам управления и физическим процессам в современных высокочастотных устройствах преобразования электрической энергии. Рассмотрены принципы построения и основные характеристики как самих цифровых преобразовательных устройств, так и систем электропитания телекоммуникационной аппаратуры, выполненных на базе этих устройств. Рассмотрены вопросы организации мониторинга и управления в системах бесперебойного электропитания, а также вопросы надежности этих систем. Для студентов вузов, изучающих курс электропитание устройств и систем телекоммуникаций, аспирантов и специалистов в области силовой преобразовательной техники и источников электропитания.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
