Улучшение динамики синхронно-синфазного электропривода на основе использования способов регулирования с принудительным изменением алгоритма работы логического устройства сравнения

Бубнов Алексей Владимирович; Четверик Алина Наилевна

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

удк 62-83 д. в. БУБНОВ

А. Н. ЧЕТВЕРИК

Омский государственный технический университет, г. Омск

УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИКИ СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМА РАБОТЫ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ_

Синхронно-синфазный электропривод, построенный н а основе электропривода с фазовой синхронизацией, широко используется в тепловизионных и л азерных сканирующих системах благодаря высоким точностным и динамическим характеристикам в широком диапазоне регулирования у гловой скорости. Целью статьи я в ляется анализ возможностей улучшения динамики электропривода с фазовой синхронизацией и синхронно-синфазного электропривода на основе использования способов регулирования с принудительным изменением режима работы логического устройства сравнения в переходных режимах р а боты электропривода. Предложена классификация способов принудительного изменения режима ра боты логического устройства сравнения и представлены функциональные схемы, при реализации которых используется логическое устройство сравнения с возможностью принудительной р азблокировки. Ключевые слова: электропривод с фазовой синхронизацией, синхронно-синфазный электропривод, логическое устройство сравнения, дискриминатор, ф азовая автоподстройка частоты.

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), лазерного сканирования, в системах технического

построенные на основе электропривода с фазовой зрения современных робототехнических комп-

синхронизацией (ЭПФС), применяются в узлах лексов, видеозаписывающей аппаратуры, копи-

оптико-механической развертки обзорно-поисковых ровальных установках, что обусловлено их высоки-

и сканирующих систем, в том числе в системах ми точностными и динамическими показателями

Рис. 1. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода

Рис. 2. Варианты способов принудительного изменения режима работы ЛУС

в широком диапазоне регулирования угловой скорости [1].

Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода (рис. 1) выполнена в виде двухкон-турной системы автоматического управления (САУ) [2], включающей в себя внутренний контур — ЭПФС, реализованный на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) вращения, и внешний контур управления доворотом вала электродвигателя в заданное угловое положение (фазирования), 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 Гоп и обратной связи -ос; формируемой на выходе импульсного датчика частоты вращения ИДЧ, корректирующего устройства КУ, силового преобразователя СП и электродвигателя ЭД. Внешний контур фазирования включает в себя датчик положения вала электродвигателя ДП (формирующий импульсы индикации текущего положения вала электродвигателя Р) и фазирующий регулятор ФР, содержащий блок определения фазового рассогласования БОФР импульсов частот Роп и _Рос, пропорционального угловой ошибке Да электропривода, и блок управления БУ угловым положением вала электродвигателя, по определенному закону преобразующий импульсы задающей частоты - в импульсы входной задающей частоты ЭПФС f оп. Датчик положения и ИДЧ образуют блок импульсных датчиков БИД, расположенных на валу электродвигателя.

В качестве ЛУС в системах ФАПЧ используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) [2]. 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 -п — т=1);

— режим фазового сравнения (П — пропорциональный) дискриминатора (-»-, у = Дф, где Дф — фазовое рассогласование импульсов частот 4 и 4 );

— режим насыщения при торможении (Т) электропривода (4оп < ^ Т = 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 анализ возможностей улучшения динамики ЭПФС и ССЭ на основе использования способов регулирования с принудительным изменением режима работы ЛУС в переходных режимах работы электропривода.

Современные высокоэффективные способы регулирования ССЭ используют возможности принудительного изменения режима работы ЛУС для повышения быстродействия и уменьшения перерегулирования электропривода в режимах синхронизации и фазирования [2]. Наиболее широко применяются три варианта принудительного изменения режима работы ЛУС, определяющих изменения режима работы ССЭ (рис. 2):

— с использованием принудительного изменения режима работы ИЧФД (рис. 3а, где Уп — сигнал принудительного перевода ЛУС в режим фазового сравнения — пропорциональный, формируемый в блоке управления БУ синхронно-синфазного электропривода));

— с использованием управляемых цифровых ключей (на основе логической схемы ИЛИ —НЕ), на выходе ИЧФД (рис. 3б, где Ур и Ут — сигналы принудительного перевода ЛУС в режим разгона или торможения соответственно, формируемые в блоке управления ССЭ);

— с использованием управляемых цифровых ключей (на основе логической схемы И) на входах ИЧФД (рис. 3в).

Предлагается классификация известных вариантов принудительного изменения режима работы электропривода в переходных режимах синхронизации и фазирования, обусловленных принудитель-

Рис. 3. Функциональные схемы ЛУС

Рис. 4. Классификация способов управления ССЭ с принудительным изменением режима работы ЛУС

б

а

в

Рис. 5. Функциональная схема ИЧФД с возможностью принудительного изменения режима работы

ным изменением режима работы ЛУС, приведена на рис. 4.

Рассмотрим варианты использования способов принудительного изменения режима работы ЛУС в системе автоматического управления (САУ) ЭПФС.

Для принудительного изменения режима работы ИЧФД предлагается функциональная схема дискриминатора [3], приведенная на рис. 5, где БФС — блок фазового сравнения, реализованный на основе ИЧФД без индикации режимов работы. Сигналы принудительной установки ИЧФД в требуемый режим работы Ур, Уп, Ут формируются в блоке управления БУ, реализующем требуемый закон управления ЭПФС или ССЭ, и далее через одновибраторы, построенные на входных триггерах, поступают на асинхронные входы установки (Я или Я) выходных блокирующих триггеров ИЧФД.

В ЭПФС, реализующем способ регулирования с опережающей разблокировкой ИЧФД при дости-

жении заданной величины ошибки по угловой скорости Аю, обеспечивается принудительное опережающее переключение дискриминатора в пропорциональный режим работы по выходному сигналу Уп частотного дискриминатора ЧД. В зависимости от алгоритма работы ЧД может быть реализована одна из приведенных на рис. 6а или 6б схем. При непосредственном сравнении частотных сигналов /оп и (ос используется схема, приведенная на рис. 6а [4], а при косвенном измерении ошибки по частоте вращения путем подсчета импульсов /оп между двумя соседними импульсами 0/2 или 2/2 (ситуации прохождения нуля импульсов частоты обратной связи между двумя импульсами опорной частоты и ситуации прохождения двух импульсов частоты обратной связи между двумя импульсами опорной частоты) — схема, приведенная на рис. 6б [5].

При реализации способа квазиоптимальной по быстродействию синхронизации [6] в САУ ЭПФС

Рис. 6. Функциональные схемы ЭПФС с опережающей разблокировкой ИЧФД

Рис. 7. Функциональная схема ЭПФС с квазиоптимальной по быстродействию синхронизацией

б

а

Рис. 8. Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию фазированием после синхронизации ЭПФС

для изменения режима работы ИЧФД (алгоритм ЛУС2, рис. 3) используются выходные сигналы Ур, Ут блока управления для задания требуемого режима работы электропривода без изменения алгоритма работы ИЧФД (рис. 7, где ДУ — дифференцирующее устройство). Сигнал Уп, формируемый в блоке управления, используется для принудительного перевода ИЧФД в режим фазового сравнения П (алгоритм ЛУС1, рис. 3), а ЭПФС — в режим замкнутого управления после окончания режима квазиоптимальной по быстродействию синхронизации электропривода.

Рассмотрим варианты использования способов принудительного изменения режима работы ЛУС в контуре квазиоптимального по быстродействию фазирования системы автоматического управления ССЭ.

В ССЭ, реализующем способ квазиоптимального по быстродействию фазирования после синхронизации электропривода [7], выходные сигналы БУ Ур, Ут (рис. 8) используются для принудительного изменения режима работы ЛУС в контуре фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в соответствии с алгоритмом ЛУС2, представленном на рис. 3.

В ССЭ, реализующем способ предварительного квазиоптимального по быстродействию фазирования электропривода [8], выходные сигналы БУ Ур,

Ут (рис. 9, где БОЧР — блок определения частотного рассогласования) используются для принудительного изменения режима работы ЛУС в ЭПФС в соответствии с алгоритмом ЛУС3, представленном на рис. 3. Фазирование осуществляется до синхронизации электропривода, что позволяет значительно снизить время регулирования в переходных режимах работы электропривода.

Анализ рассмотренных вариантов построения и применения ЛУС с принудительным изменения режима его работы показывает, что при построении систем управления ЭПФС наиболее широко используются схемы ЛУС 1, алгоритм функционирования которых основывается на принудительном переводе ИЧФД в требуемый режим работы. В этом случае целесообразно использовать ИЧФД с возможностью принудительной установки требуемого режима работы (рис. 5). В ССЭ при реализации квазиоптимальных по быстродействию способов фазирования применяют логические схемы «И» на входах ИЧФД (ЛУС 3) или последовательно соединенные «ИЛИ — НЕ» на выходе ИЧФД (ЛУС 2). Блокировка входных сигналов ИЧФД (ЛУС 2) нарушает алгоритм его работы в системе управления электроприводом, что в дальнейшем приводит к дополнительным затратам времени на восстановление текущего режима работы. Использование логических схем «ИЛИ —НЕ»

Рис. 9. Функциональная схема ССЭ с предварительным квазиоптимальным по быстродействию фазированием

для блокировки выходного сигнала ИЧФД у не нарушает алгоритм его работы, что позволяет непрерывно определять текущий режим работы дискриминатора (Р, П или Т) и формировать сигналы индикации моментов времени изменения режима работы ИЧФД 0/2 и 2/2.

Таким образом, из проведенного анализа использования схем ЛУС для принудительного изменения режима работы электропривода следует, что ЛУС на основе ИЧФД с принудительным изменением алгоритма работы (ЛУС 1) применяется для опережающего перевода ЭПФС в режим замкнутого управления, а ЛУС с блокировкой входных (ЛУС 3) или выходных (ЛУС 2) сигналов ИЧФД — в режимах фазирования ССЭ.

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: науч. изд. М.: Энергоиздат, 1982. 168 с.

2. Бубнов А. В., Чудинов А. Н. Улучшение показателей качества регулирования электропривода сканирующих систем: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. 92 с.

3. Пат. 148933 РФ, МПК Ы03Б 13/00 (2006.01). Импульсный частотно-фазовый дискриминатор / Бубнов А. В., Алпысо-ва А. Н.; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. № 2014118322/08; заявл. 06.05.2014; опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35. 2 с.

4. Пат. 2462809 РФ, МПК Ы02Р 6/06 (2006.01). Стабилизированный электропривод / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А.; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн.

ун-т. № 2011120657/07; заявл. 20.05.2011; опубл. 27.09.2012, Бюл. № 27. 2 с.

5. Пат. 2467465 РФ, МПК Ы02Р 7/14 (2006.01). 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.

6. Пат. 2585241 РФ, МПК Ы02Р 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 Ы02Р 5/00, Ы02Р 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. 2475932 РФ, МПК Ы02Р 5/52, С05Б 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.

БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрической техники. Адрес для переписки: [email protected] ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры электрической техники. Адрес для переписки: [email protected]