CC BY
6
УДК 62-83; 681.513.3
А.Н. Алпысова, А.В. Бубнов, Т.А. Бубнова., М.В. Гокова Омский государственный технический университет, г. Омск
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
СРАВНЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ
Перспективной основой для разработки электроприводов сканирующих систем являются системы управления, работающие в режиме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и реализуемые в электроприводе с фазовой синхронизацией (ЭПФС) [1]. На рис. 1 приведена функциональная схема электропривода с фазовой синхронизацией, где БЗЧ - блок задания частоты, ЛУС - логическое устройство сравнения, КУ - корректирующее устройство, БДПТ
- бесконтактный двигатель постоянного тока и ИДЧ - импульсный датчик частоты вращения.
/°п у
БЗЧ ЛУС КУ БДПТ
foe
ИДЧ
Рис. 1. Функциональная схема электропривода с фазовой синхронизацией
В качестве сравнивающего элемента в системах ФАПЧ используется логическое устройство сравнения, которое представляет собой цифровое устройство, реализующее алгоритм сравнения двух частотных сигналов: опорного _/оп и контролируемого f^, основанный на логической обработке порядка следования во времени импульсов этих частот.
Для сравнения входных импульсных последовательностей ^п иf'ос обычно используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД), являющийся основой для реализации ЛУС. Логические устройства сравнения могут включать в себя кроме ИЧФД дополнительные устройства (например, схемы предварительного преобразования входных импульсных частотных сигналов ^п и f'ос и их разделения во времени, генераторы импульсов, частотные дискриминаторы, демодуляторы выходного ШИМ-сигнала ИЧФД) и реализовывать дополнительные функции.
Наиболее широко в системах ФАПЧ применяется ИЧФД, алгоритм функционирования которого основан на изменении режима его работы в моменты прихода двух импульсов одной из частот_/оп или f'ос между двумя соседними импульсами другой частоты [2]. При приходе двух подряд импульсов частоты f^ между двумя соседними импульсами частоты ^п происходят следующие изменения в работе ИЧФД:
а) режим насыщения при разгоне переходит в режим фазового сравнения;
б) режим фазового сравнения переходит в режим насыщения при торможении;
в) режим насыщения при торможении сохраняется.
75
При приходе двух подряд импульсов частоты ^п между двумя соседними импульсами частотыfос изменения режима работы происходят в обратном порядке.
Рассмотренный алгоритм реализуется в ИЧФД на основе двухразрядного реверсивного счетчика импульсов СТ2 (рис. 2а), имеющего насыщение при значениях выходного двоичного кода 11 или 00 в зависимости от направления подсчета импульсов. Выходной сигнал
ИЧФД у формируется на выходе старшего разряда счетчика импульсов. Выходной сигнал Н может быть использован для индикации состояния 00 счетчика импульсов.
СТ2
00 01
10 11
Уоп
& +1 01
&
Чі
/ос
со-о-о-с»
/оп /оп /оп
А В С В
/оп
/ & -1
ос
02 1 Н
41=0
/ос
41=0
/ос
Чі=1
/ос
Чі=1
а б
Рис. 2. Функциональная схема и граф переходов ИЧФД
Алгоритм работы ИЧФД удобно отображать с помощью графа переходов, в узлах которого указаны выходные состояния импульсного частотно-фазового дискриминатора, а ветви и петли графа обозначены состояниями входов ИЧФД. Алгоритм работы ИЧФД [2] приведен на рис. 2б в виде графа переходов с четырьмя выходными состояниями (А, В, С, В) импульсного частотно-фазового дискриминатора (над узлами графа приведен соответствующий им выходной двухразрядный код счетчика импульсов).
Каждый входной импульс частоты /оп переводит ИЧФД в соседнее состояние в направлении от А к Б, а каждый импульс частоты /ос - в обратном направлении. Режиму фазового
сравнения соответствует поочередная смена состояний В и С, при этом выходной сигнал у
пропорционален фазовому рассогласованию сравниваемых частот
и представляет собой
ШИМ-сигнал фазовой ошибки. Режимам насыщения соответствует поочередная смена состояний А и В (при /оп < /ос , Уі = 0) или С и Б (при /оп > /ос , Уі= 1 ). Переход из одного режима в другой возможен только при приходе двух (или более) импульсов одной частоты между двумя соседними импульсами другой частоты.
Следует отметить, что граф работы ИЧФД, приведенный на рис. 2б, является упрощенным, так как не учитывает совпадение во времени входных импульсов, однако, при использовании на входе импульсного частотно-фазового дискриминатора схемы разделения совпадающих во времени импульсов исключается наложение импульсов частот /оп и /ос, и такое представление графа переходов является справедливым.
Основным недостатком рассмотренного алгоритма работы ИЧФД является то, что состояния В и С, как следует из графа переходов (рис. 2б), соответствуют одновременно режиму фазового сравнения и режимам насыщения ИЧФД, что сужает его функциональные возможности в плане индикации режимов работы.
Для расширения функциональных возможностей ИЧФД в схему дополнительно вводят [3] два Б-триггера и схему ИЛИ-НЕ (рис. 3а, где БФС - блок фазового сравнения, в качестве которого используется схема ИЧФД, приведенная на рис. 2а).
76
/ос /оп
БФС Н ’
Б Т1
/
У=0 у=0
э
/к Т2 Т1 /к
У
Р
/э /э
/э
1 П
с
/к П3 /
П2 П1
к /к
У=1 Б Т2
с
э
у=о у=о /э
/к Р4 / /
Р3 Р2 Р1 /э
к к /к
/э
а
у=0 у=1 у=1 б
Рис. 3. Функциональная схема и граф переходов модифицированной схемы ИЧФД с расширенными функциональными возможностями
Работа схемы поясняется с помощью графа переходов ИЧФД (рис. 3б). В этом графе разделены состояния Т, П и Р, переход между ними осуществляется в моменты прихода импульсов частоты /оп.
При использовании рассмотренных схем ИЧФД в ЭПФС в режиме втягивания электропривода в синхронизм со входным частотным сигналом
/оп
возможны сбои ЛУС, обусловленные совпадением во времени импульсов сравниваемых частот
/оп и
/ос .
Переключение ИЧФД в режим фазового сравнения происходит при ошибке по частоте вращения [1]
Дю < Дю. =
V
2 ^т Фо
= Фо Д /г ,
где
А/.
- максимальная величина частотного рассогласования сигналов
/э
у=0
/оп и
в пропорциональном режиме работы электропривода.
Определим разность периодов сравниваемых частот при максимальной ошибке по частоте вращения ным сигналом
Аю = Аюг
/оп
при вхождении электропривода в синхронизм со входным частот-
Д т
тах
= т
оп
- т =
ос
/о
/о
1
оп
+ Afr
или после преобразования получаем
AT =
max і ^
Т'оп /оп A fr
В области высоких частот вращения (fon >> Afr ) разность периодов сравниваемых частот при вхождении злектропривода в синхронизм со входным частотным сигналом fon
1
не превышает десятков наносекунд. Такая малая разность периодов приводит к тому, что при работе ИЧФД, выполненных на цифровых интегральных микросхемах, в момент их разблокировки (Aa = фо
2 ) происходит повторяющееся наложение во времени входных импуль-
77
сов ЛУС. Так как время срабатывания логических злементов в зтой области частот значи-
1
тельно превышает значения разности периодов, то в работе ИЧФД возникают сбои, приводящие к тому, что разблокировка импульсного частотно-фазового дискриминатора происхо-
дит при значениях ошибки по угловой скорости
Дю >> Дюг . В этом случае начальные условия по
Дю значительно ухудшаются, что является причиной возникновения в режиме
синхронизации низкочастотных колебаний и, следовательно, снижения быстродействия электропривода.
Устранить сбои ИЧФД можно путем использования специальной схемы разделения (СР), которая в случае совпадения во времени двух входных импульсов сдвигает позже поступивший импульс на временной интервал Т .
Надежную работу ЛУС могут обеспечить СР с использованием ^-триггера в качестве распределителя входных импульсов (рис. 4а). При приходе двух входных импульсов СР с
интервалом менее времени задержки тс
элемента задержки ЭЗ, триггер-распределитель устанавливается в одно из двух устойчивых состояний, которое определяется первым из пришедших импульсов и сохраняется на время прохождения этого импульса на выход СР, затем триггер устанавливается в другое устойчивое состояние, и разрешается прохождение второго импульса на выход устройства.
Недостатком такой СР является наличие задержки импульсов в каждом канале на время Тс . Устранить временную задержку выходных импульсов схемы разделения предлагается путем переноса элементов задержки из каналов формирования выходных импульсов СР в цепи обратной связи (рис. 4б). В этом случае обеспечивается высокая надежность работы устройства и отсутствие задержек в формировании выходных импульсов (кроме временного сдвига одного из совпадающих входных импульсов СР).
/ос
ЭЗ
ЭЗ
/'п
/'с
я т
с
ФИ
ФИ
8 т я
г Я Т С
оп
г я т с
/о с
ЭЗ
8 Т Я
а
ФИ
ФИ
ЭЗ
Л
Го,
б
Рис. 4. Функциональные схемы устройства для разделения совпадающих импульсов на основе распределяющего триггера
78
Предложенная схема ЛУС с разделением входных импульсов импульсного частотнофазового дискриминатора может использоваться при проектировании синхронно-синфазных электроприводов для обзорно-поисковых систем. Работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» № 2.1.2/4475.
Библиографический список
1. Бубнов, А. В. Вопросы теории и проектирования прецизионных синхронносинфазных электроприводов постоянного тока : монография / А. В. Бубнов. - Омск : Редакция журнала «Омский научный вестник», 2005. - 190 с.
2. Стребков, В. И. Импульсный частотно-фазовый дискриминатор на интегральных микросхемах / В. И. Стребков // Электронная техника в автоматике / под ред. Ю. И. Конева. -М., 1977. - Вып. 9. - С. 223-230.
3. Пат. 95439 РФ, МПК И03Б 13/00. Импульсный частотно-фазовый дискриминатор / А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова (РФ) - 1 с.: ил.
