Клиначёв Николай Васильевич,
по мотивам конспекта лекций
Воронина Сергея Григорьевича

Применение импульсного датчика для прецизионного измерения частоты вращения вала двигателя. Фазоимпульсная САР частоты вращения ДПТ

Идея применения импульсного датчика угловой скорости вместо аналогового (тахогенератор) привлекательна при построении приводов, поскольку позволяет улучшить точностные показатели соответствующих систем. Обработать импульсную последовательность датчика скорости и сформировать требуемое управляющее воздействие на источник электропитания двигателя могут релейно-имульсные и фазоимпульсные регуляторы. Ключевое отличие между ними в том, что релейно-импульсные регуляторы скорости позволяют построить хоть и прецизионную, но все же статическую систему. Фазоимпульсные регуляторы – лучше – входящий в их структуру импульсный интегратор (ИВР – интегрирующий вычислитель рассогласования) сводит статическую ошибку системы к нулю.

Для ознакомления с осциллограммами работы интегрирующего вычислителя фазового рассогласования составлена модель представленная на чертеже 1. На входы вычислителя поступают две импульсные последовательности – с опорного генератора и с импульсного датчика скорости. Последняя промодулирована синусоидальным сигналом. Осциллограмма выходного сигнала интегрирующего вычислителя фазового рассогласования свидетельствует о наличии обязательного для интегратора атрибута – 90-градусного фазового сдвига (плюс инверсия сигнала для ООС); и о том, что вычислитель является насыщающимся интегратором, выходной сигнал которого может принимать лишь два состояния "логический ноль" (0) и "логическая единица" (1).

Чертеж 1

Непосредственно использовать выходной сигнал интегрирующего вычислителя рассогласования для контроля источника тока питающего двигатель не возможно. Источник вместе с двигателем образуют второй интегратор в контуре (точнее апериодическое звено с большой постоянной времени). Общий фазовый сдвиг составляет 180 градусов. САР будет находиться на границе устойчивости. Требуется коррекция.

В соответствии с обобщенной методикой решения задачи коррекции САР рассмотрим вариант с последовательным корректирующим звеном. Импульсную систему представим аналоговым прототипом (импульсные звенья – регистром задержки, вычислитель рассогласования – аналоговым интегратором с насыщением). Постоянную времени числителя передаточной функции пассивного дифференцирующего корректирующего звена уравняем с максимальной инерционной массой в контуре (механическая постоянная времени двигателя с приведенным к валу моментом инерции механизмов – Tм=Rя·Jд/(Cе·Фн)2). Результат представлен на чертеже 2.

Чертеж 2

Рассмотренный прототип позволяет построить фазоимпульсную САР ЧВ ДПТ (см. чертеж 3). Здесь для формирования аналогового сигнала из импульсной последовательности интегрирующего вычислителя рассогласования используется фильтр скользящего среднего (с окном равным периоду генератора опорной частоты). Источник тока управляется аналоговым сигналом – спорное решение.

Чертеж 3

Последовательное пассивное дифференцирующее звено почти всегда не лучший вариант решения задачи коррекции. Как правило, суть его применения состоит в желании восстановить амплитуду сигнала, после того как он был подавлен (приближен к уровню шума, вследствие неудачного выбора структуры системы). Заслуживает внимания альтернативное решение – шунтирование интегратора вычислителя рассогласования безынерционным звеном (параллельная коррекция). Соответствующий аналоговый прототип системы представлен на чертеже 4.

Чертеж 4

Автору неизвестно такое устройство как импульсный пропорционально-интегрирующий вычислитель рассогласования (ПИВР). Существующее гибридное решение – импульсно-аналоговый вычислитель с трехкаскадным фильтром скользящего среднего – работоспособно (см. модель на чертеже 5), но признать его красивым нельзя.

Чертеж 5

Поиск способа шунтирования импульсного интегратора вычислителя рассогласования безынерционным звеном вновь привел к синтезу последовательного корректирующего устройства, но уже в импульсной цепи. Суть решения состоит в замене операции дифференцирования аналогового сигнала вычислением приращения фазового рассогласования импульсных последовательностей (в легко измеряемых с малой погрешностью единицах времени).

Модель прецизионной фазоимпульсной САР ЧВ ДПТ с аналоговым прототипом импульсного корректирующего устройства представлена на чертеже 6. Здесь модуляции угловой скоростью подвержены обе импульсные последовательности, поступающие на интегрирующий вычислитель рассогласования. В частности, диапазон возможных значений скоростей вала поделён на равные промежутки (см. аналоговое корректирующее устройство (АКУ)), каждый из которых одинаковым образом, сохраняя пропорциональную зависимость, контролирует фазу импульса генератора опорной частоты на его периоде. Последний остается неизменным. Очевидно, что при совпадении глубины модуляции сигналов опорного генератора и датчика информация об угловой скорости вала прошла бы интегрирующий вычислитель рассогласования как сквозь безынерционное звено (что и требуется для реализации необходимого в данном случае изодромного звена). При реализации решения в железе нередко используют два датчика скорости – импульсный и аналоговый. К точностным параметрам последнего не предъявляется никаких требований.

Чертеж 6

В случае если временное (апертурное) дрожание импульсной последовательности датчика скорости составляет величину меньшую 1/500 от собственного периода, то использование работающего в параллель аналогового датчика скорости не имеет смысла. В цифровом сигнальном процессоре можно реализовать преобразователь импульсного сигнала в аналоговый (как показано на чертеже 7). По причине большого количества шагов симуляции необходимых для функционирования модели, в ней сохранен канал аналогового датчика скорости. Можно убедиться в нехватке тех 40 шагов симуляции, что составляют период генератора опорной частоты. Изучите осциллограммы. Сравните сигналы на выходах блоков аналоговых корректирующих устройств. Увеличьте параметры N_tStep_inT в 20 раз, и во столько же раз уменьшите шаг симуляции. Повторно сравните сигналы (процесс симуляции можно продолжить любое количество раз).

Чертеж 7

...

Чертеж 8

29.03.2009