Opis patentowy opublikowano: 30.04.1980 106754 Int. Cl.2 H02P 5/16 / Twórcy wynalazku: Ryszard Stachowiak, Roman Lubasz Uprawniony z patentu: Osrodek Badawczo-Rozwojowy Automatyki i Urzadzen Precyzyjnych „MERA-POLTIK", Lódz (Polska) Uklad regulatora predkosci napedu Przedmloteiii wynalazku jest uklad regulatora predkosci napedu zwlaszcza silników pradu stalego zasilanych impulsowo lub w sposób ciagly.Wsród znanych ukladów regulacji predkosci na¬ pedów jedynie uklady analogowo-cyfrowe spelnia¬ ja wysokie wymagania, a mianowicie zapewnienie stabilizacji predkosci i duzej szybkosci regulacyj¬ nej, jakie stawia sie obecnie przed ukladami regu¬ lacji predkosci. Czlon analogowy tych ukladów za¬ pewnia szybka korekcje dynamiczna wystepujacych w czasie pracy zaklócen, zas czlon dyskretny za¬ pewnia wysoka dokladnosc dzialania w stanie u- stalonym.Znane analogowo-cyfrowe uklady regulacji pred¬ kosci napedu posiadaja w czlonie analogowym sprzezenie predkosciowe zrealizowane za pomoca wysokostabilnej pradnicy tachometrycznej oraz a- nalogowy uklad zadajacy i uklady posredniczace.Czlon cyfrowy posiada impulsator sluzacy do cy¬ frowego pomiaru predkosci i cyfrowy uklad zada¬ jacy np. w postaci generatora impulsów, których impulsy wyjsciowe sa podawane na dwa wejscia ukladu antykoincydencyjnego przepuszczajacego impulsy wejsciowe tylko wtedy gdy nie pojawia sie jednoczesnie w czasie.Impulsy wyjsciowe z ukladu antykoincydencyj¬ nego podawane sa na dwa wejscia wielobitowego licznika rewersyjnego sterujacego przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Sygnaly z czesci analogowej i cyfrowej poprzez uklady posredniczace sa poda- 10 15 20 25 30 wane na wejscie wzmacniacza regulatora napedu ksztaltujacego odpowiednio charakterystyke regu¬ latora, gdzie w petli sprzezenia zwrotnego znajdu¬ je sie kondensator polaczony szeregowo z rezysto¬ rem. Sygnal wyjsciowy z wzmacniacza poprzez modulator szerokosci impulsu taktowany z'oddziel¬ nego generatora steruje wzmacniaczem mocy na¬ pedu.Znany uklad regulatora wymaga stosowania skomplikowanych i precyzyjnych podzespolów, co podraza koszt urzadzenia, a rozbudowana kon¬ strukcja ukladu zmniejsza niezawodnosc dzialania.Czlon cyfrowy wymaga stosowania ukladu anty- koincydencyjnego, wielobitowego licznika rewer¬ syjnego i przetwornika analogowo-cyfrowego, któ¬ rego rozdzielczosc uzalezniona jest od stabilnosci temperaturowej i czasowej poszczególnych podze¬ spolów przetwornika jak drabinki rezystorowej, precyzyjnego zródla napiecia odniesienia wraz z ukladem kompensacji termicznej, niesymetrycznych zródel pradowych, przelaczników pradu w liczbie równej ilosci bitów licznika rewersyjnego oraz u- kladu sumujacego jakim jest najczesciej wzmac¬ niacz operacyjny.Przetwornik analogowo-cyfrowy cechuje duza bezwladnosc — zmiany predkosci napedu powodu¬ ja powolne i bardzo male zmiany sygnalu na jego wyjsciu. Powolna reakcja ukladu nawet na male zaklócenia zmusza do stosowania czlonu analogo¬ wego, który zapewnia odpowiednia charakterysty- 106 754a ióc 754 ke dynamiczna regulatora w stanach przejsciowych, zwozonego z wysokostabilnej pradnicy tachome- tryfehej i, analogowego ukladu zadajacego, przy czym zmiany predkosci napedu wymagaja jedno¬ czesnej i wspólbieznej zmiany nastawy w analo¬ gowym i cyfrowym czlonie zadajacym, co dodat¬ kowo komplikuje nawet mechaniczne rozwiazanie czlonu zadajacego.Uklad regulatora predkosci napedu wedlug wy¬ nalazku posiada taktowany z generatora standa- ryzator impulsów o dwóch wejsciach i wyjsciach.Do jednego z wejsc sa doprowadzone impulsy z u- kladu zadajacego a do drugiego z impulsatora wy¬ twarzajacego impulsy proporcjonalne do rzeczywi¬ stej predkosci napedu. Sygnaly wyjsciowe ze stan- daryzatora stanowiace dwa ciagi impulsów o cze¬ stotliwosciach równych czestotliwosciom impulsów wejsciowych, a szerokosciach równych okresowi drgan generatora taktujacego steruja przelaczni¬ kami pradu przetworników cyfrowo-analogowych, które stanowia dwa przeciwsobne, symetryczne Wzgledem siebie zródla pradowe, zbudowane ko¬ rzystnie kazde na dwóch tranzystorach komple¬ mentarnych, zawierajacych polaczone szeregowo re¬ zystory polaryzujace bazy tranzystorów.W wyniku kluczowania zródel pradowych impul¬ sami wyjsciowymi standaryzatora otrzymane im¬ pulsy pradu na wyjsciu przetwornika stanowia dwa ciagi impulsów o identycznym czasie trwania i o stalym stosunku ich wartosci a o przeciwnych kierunkach. Impulsy pradowe sa doprowadzone do wejscia odwracajacego wzmacniacza regulatora predkosci. Regulator posiada dwie petle sprzeze¬ nia zwrotnego: glówna dopasowujaca transmitacje regulatora do transmitacji obciazenia oraz dodat¬ kowa ksztaltujaca czasy * narastania i opadania predkosci. Sygnal wyjsciowy z regulatora poprzez modulator szerokosci impulsu, sterowany potencjo¬ metrem ustalajacym wartosc pradu wejsciowego na drugim wejsciu modulatora, steruje wzmacniaczem mocy napedu.Zastosowanie w ukladzie regulacji predkosci na¬ pedu standaryzatora impulsów zamieniajacego im¬ pulsy wejsciowe na impulsy o identycznym czasie trwania, oraz przetworników stanowiacych dwa przeciwstawne, symetryczne elektrycznie wzgledem siebie zródla pradowe pozwolilo uzyskac identycz¬ ne Czasy trwania kazdego impulsu zadajacego jak i pomiarowego niezaleznie od predkosci napedu o- raz. identyczna wartosc pradów otrzymywanych ze zródel pradowych. Dzieki temu o sygnale bledu ja¬ ki pojawia sie na wejsciu wzmacniacza regulatora decyduje tylko róznica ilosci impulsów jaka przy¬ chodzi na obydwa wejscia standaryzatora, a wiec róznica miedzy predkoscia zadana a rzeczywista.Uklad wedlug wynalazku o prostej, taniej budowie wykonany z dostepnych elementów, zwlaszcza u- klad zródel pradowych nie wymaga stosowania wysokostabilizowanych napiec zasilajacych oraz u- kladÓw kompensacji termicznej, gdyz zmiany za¬ chodzace w jednym zródle sa takie same jak w drugim i kompensuja sie wzajemnie.Uklad wedlug wynalazku porównuje wszystkie sygnaly przychodzace do standaryzatora, co daje impulsu pradowego z przetwornika, dzieki czemu nawet mala róznica miedzy wartoscia zadana a rzeczywista powoduje duza zmiane napiecia na wejsciu wzmacniacza regulatora, powodujac szyb- 5 ka reakcje regulatora na wszelkie zaklócenia i sta¬ ny przejsciowe. Powyzsze oraz zastosowanie sprze¬ zen zwrotnych wedlug wynalazku w regulatorze ksztaltujacych charakterystyke wzmacniacza po¬ zwolilo uzyskac w stanach przejsciowych charak- 10 terystyke ukladu typowa dla czlonów analogowych regulatorów napedu. Zas w stanie ustalonym uzy¬ skano wysoka dokladnosc regulacji dzieki cyfro¬ wemu pomiarowi predkosci i wlasciwosciom ukla¬ du odpowiadajacym czlonom cyfrowym ^egulato- 15 rów napedu. Zastosowanie dodatkowo potencjome¬ tru sterujacego modulatorem szerokosci impulsu rozszerza mozliwosci ksztaltowania charakterystyk calego ukladu.Wynalazek jest blizej objasniony na podstawie 20 przykladu wykonania pokazanym na rysunku, któ¬ ry przedstawia uproszczony schemat ideowy regu¬ latora predkosci wraz z modulatorem i napedem.Uklad regulatora posiada taktowany z genera¬ tora 1 standaryzator impulsów 2 o dwóch wej- 25 sciach i wyjsciach. Jedno wejscie jest polaczone z ukladem zadajacym 3 wytwarzajacym sygnal im¬ pulsowy fa o czestotliwosci proporcjonalnej do za¬ danej predkosci. Drugie wejscie jest polaczone z impulsatorem 4 w torze sprzezenia zwrotnego pred- 30 kosci, stanowiacym generator impulsów fb o cze¬ stotliwosci proporcjonalnej do rzeczywistej predko¬ sci napedu N. Standaryzator impulsów 2 przetwa¬ rza sygnaly wejsciowe fa i fb na impulsy fa i ne¬ gowany sygnal f\ o czestotliwosciach impulsów 35 wejsciowych, lecz o szerokosciach jednakowych, równych okresowi drgan generatora taktujacego 1.Impulsy wyjsciowe f'a i f'b ze standaryzatora sa doprowadzone odpowiednio do przelaczników pra¬ du 5 i 6 przetworników cyfrowo-analogowych 7 40 i 8 (na rysunku sygnal f'a do przelacznika 5 prze¬ twornika 7, a sygnal f\ do przelacznika 6 prze¬ twornika 8) zasilanych napieciem stabilizowanym dioda Zenera Dj. Przetworniki 7 i 8 stanowia dwa przeciwsobne, symetryczne wzgledem siebie zródla 45 pradowe. Zbudowane sa kazdy z dwóch komple¬ mentarnych tranzystorów Ti i T2 i odpowiednio T3 i Tj stanowiacych wraz z rezystorami sprzeze¬ nia zwrotnego zródla Ri i odpowiednio R2 zródla pradowe, oraz posiadaja polaczone szeregowo rezy- 50 story polaryzujace R3, R4, R5 wlaczone równolegle do diody Di stabilizujacej napiecie.Bazy tranzystorów Ti i T4, do których emite¬ rów sa przylaczone rezystory sprezenia zwrotnego zródla Ri i odpowiednio R2, sa przylaczone odpo- 55 wiednio miedzy rezystory polaryzujace, a miano¬ wicie baza tranzystora Ti miedzy rezystor skraj¬ ny R3 a srodkowy R4, a baza tranzystora T4 mie¬ dzy rezystor srodkowy R4 a drugi skrajny R5.Prady wyjsciowe przetworników 5, 7 i 8 klu- 60 czowane impulsami wyjsciowymi standaryzatora impulsów 2 doprowadzone sa na wejscie odwraca¬ jace wzmacniacza W regulatora predkosci 9, który poprzez modulator szerokosci impulsu 10 o dwóch wejsciach, taktowany z generatora 11 i sterowany ciaglosc regulacji i umozliwia znaczne zwiekszenie W dodatkowo potencjometrem Pi steruje wzmacnia-166 754 6 czem mocy 12 n&pedu. Wyjscie z regulatora pred¬ kosci 9 moze, bezposrednio sterowac wzmacniaczem mocy 12 napedu.Regulator predkosci 9, zawierajacy wzmacniacz W o mozliwie malym wejsciowym pradzie polary^ zujacym, posiada dwie petle ujemnego sprzezenia zwrotnego. Jedna stanowi glówny obwód sprzeze¬ nia zwrotnego dopasowujacy transmitancje regu¬ latora do transmitancji obciazenia, feklada sie z obwodu szeregowego zlozonego z rezystora Rg i kondensatora C2 polaczonego równolegle z kon¬ densatorem Ci, którego glównym zadaniem jest zamiana impulsowych sygnalów pradowych z kon¬ werterów na sygnal ciagly. Druga, dodatkowa pe¬ tla sprzezenia zwrotnego ksztaltujaca czasy nara¬ stania i opadania predkosci jest zbudowana z dwóch równoleglych galezi zlozonych kazda z dio¬ dy i potencjometru D2, P2 i D3, P3 oraz z kon¬ densatora C3 i posiada dodatkowy rezystor R7 przylaczony do punktu wspólnego kondensatora C3 z galeziami D2, P2, D3, P3 i do wejscia nieodwra¬ cajacego wzmacniacza W regulatora.Uklad regulatora wedlug wynalazku dziala na¬ stepujaco: Sygnal z ukladu zadajacego 3 w posta¬ ci ciagu impulsów fa o okreslonej czestotliwosci proporcjonalnej do wymaganej predkosci obrotowej jest przekazywany na jedno wejscie standaryzato- ra impulsów 1. Natomiast sygnal sprzezenia zwrot¬ nego predkosci, którym sa impulsy fb otrzymywa¬ ne z impulsatora 4, o czestotliwosci proporcjonal¬ nej do rzeczywistej predkosci napedu jest przeka¬ zywany na drugie wejscie standaryzatora 1.Na wyjsciach standaryzatora taktowanego z ge¬ neratora 2 otrzymujemy dwa ciagi impulsów f'a i negowany sygnal fb o czestotliwosciach sygnalów wejsciowych fa i fb, lecz o szerokosciach równych okresowi drgan generatora taktujacego. Uformo¬ wane w ten sposób sygnalyf a i f'b poprzez prze¬ laczniki pradu 5 i 6 kluczuja prady wyjsciowe przetworników 7 i 8, dzieki czemu na wyjsciu kazdego z przetworników otrzymujemy impulsy pradowe identyczne co do wartosci i czasu trwa¬ nia, lecz o przeciwnych kierunkach. Impulsy te do¬ prowadzone sa do wejscia odwracajacego wzmac¬ niacza regulatora predkosci 9, który formuje swa transmitancja sygnal powstajacy z róznicy czesto¬ tliwosci sygnalów wejsciowych fa i f'b. Nielinio¬ we, dodatkowe, ujemne sprzezenie zwrotne regu¬ latora formuje czasy: narastania — galaz z P2 i opadania — galaz z P3 — predkosci przy skoko¬ wej zmianie predkosci zadanej. W stanie ustalo¬ nym diody D2 i D3 odlaczaja dodatkowa petle sprzezenia zwrotnego, dzieki czemu uklad zacho¬ wuje duza szybkosc regulacyjna. Dodatkowy re¬ zystor R7 tej petli eliminuje wplyw pradu uply¬ wowego kondensatora C3 o duzej pojemnosci na blad ukladu.Sygnal wyjsciowy z regulatora 8 zalezny od pred¬ kosci napedu i momentu obciazenia steruje bez¬ posrednio wzmacniaczem mocy napedu 12 lub w przypadku wyposazenia ukladu w modulator sze¬ rokosci impulsów 10 podawany jest na wejscie modulatora 10 taktowanego z drugiego generato¬ ra 11. Na wyjsciu modulatora otrzymujemy ciag impulsów prostokatnych o czestotliwosci drugiego generatora taktujacego 11 i szerokosci zaleznej od sygnalu wyjsciowego regulatora i nastawionej war¬ tosci potencjometru Pi modulatora, który umozli¬ wia niezalezna regulacje szerokosci impulsów wyj- 5 sciowych modulatora.W ukladzie regulacji predkosci wedlug wynalaz¬ ku dzieki elektrycznie symetrycznej wzgledem sie¬ bie budowie toru zadajacego i toru sprzezenia zwrotnego predkosci wszelkie zmiany i zaklócenia 10 wystepujace w jednym torze sa automatycznie kompensowane przez podobne zmiany w drugim torze. Dzieki temu regulator jest w duzym stopniu niewrazliwy na zmiany takich czynnosci jak tem¬ peratura, czas, napiecie zasilajace, zmiany parame- 15 trów elementów itp. i zapewnia utrzymanie z du¬ za dokladnoscia predkosci^ napedu oraz bardzo do¬ kladne zadawanie predkosci przy zachowaniu w stanach ustalonych duzych szybkosci regulacyjnych.Uklad znajduje zastosowanie wszedzie tam, gdzie 20 uklady analogowe nie spelniaja wymagan odnosnie dokladnosci stabilizacji i zadawania predkosci o- brotowej, a uklady cyfrowe nie zapewniaja odpo¬ wiednich charakterystyk dynamicznych napedu. 25 PL