Клиначёв Николай Васильевич,
по мотивам конспекта лекций
Воронина Сергея Григорьевича

Применение импульсного датчика для прецизионного измерения частоты вращения вала двигателя. Релейно-импульсная САР частоты вращения ДПТ

В качестве датчиков скорости в аналоговых САР частоты вращения (ЧВ) двигателей используют тахогенераторы, лучшие из которых, вместе с задатчиком скорости и элементом сравнения обеспечивают класс точности не лучше 0.5..2.5 %. Точностные показатели снижают: разброс параметров постоянных магнитов создающих поле в тахогенераторе, их температурные характеристики, старение, допуск изготовления зазора в магнитной системе, дрейф нуля усилителя сравнения.

Наибольший эффект с точки зрения повышения точности систем регулирования скорости дает использование импульсного датчика, выдающего последовательность импульсов, частота которых пропорциональна скорости вращения двигателя. Существует три способа измерения временных параметров импульсной последовательности датчика.

  1. Подсчет числа импульсов датчика за период генератора опорной частоты.
  2. Подсчет числа импульсов опорного генератора за период сигнала импульсного датчика.
  3. Измерение фазового рассогласования между последовательностями импульсов датчика скорости и программируемого генератора опорной частоты.

Первые два способа используются в релейно-имульсных регуляторах скорости. Последний – в фазоимпульсных.

На чертеже 1 представлен прототип прецизионной релейно-импульсной САР ЧВ ДПТ (здесь, и далее в демонстрационных моделях, рассматривается управление ДПТ (157 рад, 1 кВт, 110 В) с номинальной нагрузкой на валу и моментом инерции превышающим момент якоря в 18 раз). В данном случае со встроенного в механическую нагрузку датчика угловой скорости на главный сумматор поступает аналоговый сигнал. Можно убедиться в том, что при построении системы, в регуляторе допустимо использовать как реле с гистерезисом, так и безгистерезисное реле (в цепи которого установлен регистр задержки для ограничения частоты переключения). С одной стороны величина задержки сигнала в регистре определит амплитуду пульсаций скорости вала, с другой – позволяет оценить время, за которое цифровой сигнальный процессор должен обработать импульсный сигнал датчика скорости и сформировать управляющее воздействие.

Чертеж 1

Релейно-импульсный регулятор может быть реализован как в виде программы для цифрового сигнального процессора, так и на жесткой логике. В любом случае главным элементом являет счетчик периодов опорного генератора (см. чертеж 2), который подсчитывает определенное их количество (обычно от 400 до 4000) и останавливается до момента поступления импульса с датчика скорости. Если за время подсчета периодов опорного генератора импульсный датчик скорости не выдает очередной импульс (мала угловая скорость вала), регулятор включает источник тока, питающий цепь якоря машины. В противном случае – отключает ток. В результате процесс регулирования устанавливается на частоте, чей период соответствует времени заполнения счетчика. При этом импульсная последовательность с датчика скорости будет иметь тот же период. Таким образом, программирование частоты опорного генератора эквивалентно заданию скорости вала. На чертеже 2 и в последующих моделях в качестве периода опорного генератора используется шаг симуляции (timeStep). С целью формирования задания угловой скорости допустимо менять числовое значение в счетчике, при котором он останавливается N = 2π / (Ω·timeStep).

Чертеж 2

Модель прецизионной релейно-импульсной САР ЧВ ДПТ представлена на чертеже 3. Процессы в этой системе определены тем фактом, что питание двигателя осуществляется квантами энергии (импульсы тока источника фиксированы как по амплитуде, так и во времени (релейный регулятор можно считать стробируемым)). Вследствие чего, система, во-первых, будет статической; во-вторых, в ней возникнет особое явление – автоколебания на субгармониках (на частотах ниже частоты стробирования и кратных ей). Стабильные автоколебания возможны на любой субгармонике, но меняющаяся механическая нагрузка, дрейф источника тока, помехи, будут причиной установления перемежающегося режима.

Чертеж 3

Двигатель, в рассматриваемой модели (чертеж 3), запитан от источника тока. Соответственно в режиме разгона ток в якоре равен константе, момент постоянен, машина набирает скорость равномерно, осциллограммы простые и понятные. Но модель двигателя упрощена – из цепи якоря удалена индуктивность (мгновенное изменение тока в цепи с индуктивностью невозможно – это нарушение закона коммутации). Для оценки влияния электромагнитной постоянной времени на работоспособность системы составлена модель представленная на чертеже 4. Здесь источник тока замещен источником ЭДС (для управления которым добавлено изодромное звено), в цепи якоря двигателя присутствует индуктивность (см. субпространство). Принципиальных отличий в функционировании системы нет.

Чертеж 4

Осциллограммы внутренних координат представленного выше по тексту релейно-импульсного регулятора не наглядны. Сложно проследить взаимосвязь между ними и, например, ошибкой системы. На чертеже 5 представлена альтернативная модель релейно-импульсной САР ЧВ ДПТ, в которой используется импульсно-аналоговый преобразователь (блок ИАП). Преобразователь так же выполнен на основе счетчика, имеет аналогичный параметр N_tStep_inT, определяющий его погрешность. Анализируя осциллограммы можно убедиться в том, что погрешность подержания скорости представленными системами велика, и для её уменьшения параметр N_tStep_inT надо увеличить минимум раз в 10. Это не было сделано лишь по той причине, что увеличение параметра N_tStep_inT должно сопровождаться пропорциональным уменьшением шага симуляции.

Чертеж 5

18.03.2009