датчик частоты вращения ротора машины переменного тока

Формула изобретения

Датчик частоты вращения ротора машины переменного тока, содержащий электрическую машину переменного тока с синусным и косинусным выходами, первый и второй фазочувствительные выпрямители, своими входами соединенные соответственно с синусным и косинусным выходами электрической машины, первый дифференцирующий фильтр, первый и второй перемножители, отличающийся тем, что в него введены второй дифференцирующий фильтр, первый и второй линейные инерционные фильтры, четыре компаратора, пять логических схем И, логическая схема ИЛИ, реверсивный счетчик и генератор импульсов, причем выход первого фазочувствительного выпрямителя соединен с входом первого дифференцирующего фильтра, выходом подключенного к первому входу первого компаратора, с первыми входами первого перемножителя и второго и третьего компараторов, выход второго фазочувствительного выпрямителя соединен с входом второго дифференцирующего фильтра, своим выходом подключенного к второму входу четвертого компаратора, с первым входом второго перемножителя и с вторыми входами второго и третьего компараторов, входы первого и второго линейных инерционных фильтров соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, а выходы соответственно с первым входом четвертого и вторым входом первого компараторов, прямой и инверсный выходы первого компаратора соединены соответственно с первыми входами первой и второй схем И, прямой выход второго компаратора с вторыми входами первой и третьей схем И, а инверсный с третьим входом второй и вторым входом четвертой схем И, прямой выход третьего компаратора соединен с вторым входом второй и первым входом третьей схем И, а инверсный с третьим входом первой и первым входом четвертой схем И, прямой и инверсный выходы четвертого компаратора соединены с третьеми входами соответственно третьей и четвертой схем И, схема ИЛИ своими входами соединена соответственно с выходами первой четвертой схем И, а выходом с управляющим входом реверсивного счетчика, выход переноса которого соединен с первым входом пятой схемы И, своим выходом соединенной со счетным входом счетчика, выход генератора импульсов соединен с вторым входом пятой схемы И, а выход счетчика, являющийся выходом устройства, с вторыми входами первого и второго перемножителей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика частоты вращения выходного вала сельсина или синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) в прецизионных цифровых следящих системах и системах синхронизации передачи угла.

Известны датчики частоты вращения, основанные на фазовом принципе считывания угла поворота вала СКВТ и формировании затем скоростного сигнала с помощью специальных вычислительных устройств [1] В указанных устройствах СКВТ работает в режиме фазовращателя и частота вращения его вала, с некоторым приближением, пропорциональна разности периодов опорного и выходного напряжений фазовращателя. Недостатком указанных устройств является наличие методической ошибки, связанной с самим принципом измерения скорости с помощью сравнения фаз напряжений. При этом измерение скорости является вторичным после измерения угла, что вносит в процесс измерения скорости (частоты вращения) ничем невосполнимое запаздывание. Уменьшение этой ошибки, достигаемое в вышеуказанных аналогах, связано со значительным усложнением устройств.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [2] содержащее СКВТ, два фазочувствительных выпрямителя ФЧВ1 и ФЧВ2, два перемножителя П1 и П2, схему сравнения СС, линейный фильтр ЛФ, интегратор ИН, два функциональных преобразователя ФП1 и ФП2, соответственно, с косинусной и синусной характеристиками. Синусный и косинусный выходы СКВТ, через ФЧВ1 и ФЧВ2, соответственно, соединены с первыми входами П1 и П2, вторые входы соединены с выходами ФП1 и ФП2, а выходы с первым и вторым входами СС. Выход ОС, через ЛФ и ИН соединены со входами ФП1 и ФП2. Выход ЛФ является выходом устройства.

Известное устройство работает по принципу следящей системы, выходной сигнал которой (выход ИН) является текущей оценкой угла поворота ротора СКВТ. Вход ИН, при этом, является текущей оценкой частоты вращения ротора СКВТ. Построение известного устройства по принципу следящей системы по углу обеспечивает получение производной от угла (частоты вращения ротора СКВТ) с одновременной фильтрацией помех.

Недостатком известного устройства является значительная инерционность при измерении частоты вращения, связанная с принципом построения следящей системы по углу. Указанный недостаток не позволяет получить с помощью известного устройства широкий диапазон измерения частот вращения, а также достаточно быстро реагировать на изменение частоты вращения ротора СКВТ. Известное устройство имеет также низкую точность измерения угла в контуре следящей системы из-за сложной динамической характеристики ЛФ и наличия двух ФП, идентичность которых трудно обеспечить. Это приводит к тому, что выходной сигнал ЛФ имеет большую динамическую погрешность.

Технический результат изобретения повышение точности измерения частоты вращения ротора машины переменного тока с одновременным расширением диапазона измеряемых частот вращения путем реализации слежения по частоте вращения ротора СКВТ.

Результат достигается тем, что в устройство, содержащее электрическую машину переменного тока с синусным и косинусным выходами, первый и второй фазочувствительные выпрямители, своими входами соединенные, соответственно, с синусным и косинусным выходами электрической машины, первый дифференцирующий фильтр, первый и второй перемножители, введены второй дифференцирующий фильтр, первый и второй линейные инерционный фильтры, четыре компаратора, пять логических схем И, логическая схема ИЛИ, реверсивный счетчик и енератор импульсов, причем, выход первого фазочувствительного выпрямителя соединен со входом первого дифференцирующего фильтра, своим выходом подключенного к первому входу первого компаратора, с первым входом первого перемножителя и с первыми входами второго и третьего компараторов, выход второго фазочувствительного выпрямителя соединен со входом второго дифференцирующего фильтра, своим выходом подключенного ко второму входу четвертого компаратора, первым входом второго перемножителя и со вторыми входами второго и третьего компараторов, входы первого и второго линейных инерционных фильтров соединены, соответственно, с выходами первого и второго перемножителей, а выходы, соответственно с первым входом четвертого и второго входом первого компаратора. Прямой и инверсный выходы первого компаратора соединены, соответственно с первыми входами первой и второй схем И, прямой выход второго компаратора соединен со вторыми выходами первой и третьей схем И, а инверсный с третьим входом второй схемы И и вторым входом четвертой схемы И, прямой выход третьего компаратора соединен со вторым входом второй схемы И и первым входом третьей схемы И, а инверсный с третьим входом первой схемы И и первым входом четвертой схемы И, прямо и инверсный выходы четвертого компаратора соединены, с третьими входами, соответственно, третьей и четвертой схем И, схема ИЛИ своими входами соединена, соответственно, с выходами, первой, второй, третьей и четвертой схем И, а выходом с управляющим входом реверсивного счетчика, выход переноса которого соединен с первым входом пятой схемы И, ее второй вход соединен с выходом генератора импульсов, а выход со счетным входом счетчика, выход которого, являющийся выходом устройства, соединен со вторыми входами первого и второго перемножителей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 графики выходных сигналов фазочувствительных выпрямителей.

Предлагаемый датчик частоты вращения содержит электрическую машину (ЭМ) 1 с синусным a и косинусным в выходами, фазочувствительные выпрямители (ФЧВ) 2 и 3, дифференцирующие фильтры (ДФ) 4 и 5, инерционные фильтры (ИФ) 6 и 7, перемножающие цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 8 и 9, компараторы (К) 10 13, логические схемы И 14 18, логическую схему ИЛИ 19, генератор импульсов (ГИ) 20 и реверсивный счетчик (РС) 21. Второй вход К 11 и первый вход К 18 являются инвертирующими.

Синусный a и косинусный в выходы ЭМ 1 подключены ко входам ФЧВ 2 и 3, соответственно. Выход ФЧВ 2 подключен ко входу ДФ 4, к аналоговому входу ЦАП 8 и к первым входам К 11 и 12. Выход ФЧВ 3 подключен ко входу ДФ 5, к аналоговому входу ЦАП 9 и ко вторым входам К 11 и 12.

Счетный выход РС подключен к цифровым входам ЦАП 8 и 9, выходы которых подключены ко входам ИФ 6 и 7, соответственно. Выходы ДФ 4 и ИФ 7 подключены к первому и второму входам К 10, а выходы ДФ5 и ИФ 6 подключены ко второму и первому входам К 13.

Прямой и инверсный выходы К 10 подключены к первым входам схем И 14 и 15. Прямой выход К 11 подключен ко вторым входам схем И 14, 16, а инверсный выход к третьему входу схемы И 15 и ко второму входу схемы И 17. Прямой выход К 12 подключен ко второму входу схемы И 15 и к первому входу схемы И 16, а инверсный выход к третьему входу схемы 14 И к первому входу схемы И 17. Прямой и инверсный выходы К 13 подключены к третьим входам схем И 16, 17.

Выходы схем И 14 17 подключены к первому-четвертому входам схемы ИЛИ 19, выход которой подключен к управляющему входу РС 21. Его выход переноса подключен к схеме И 18, второй вход которой подключен к выходу ГИ 21, а выход ко счетному входу РС 21. Счетный выход РС 21 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. При вращении ротора ЭМ 1 с частотой вращения на ее выходах формируются напряжения:



где

U_m амплитуда; угол поворота ротора ЭМ 1; w_o несущая частота; d/dt = .

Эти напряжения выпрямляются с учетом фазы ФЧВ 2 и 3, на выходах которых получаются сигналы:

U_a= -U_msin(), U_в= U_mcos()

Они поступают на входы ДФ 4, 5, имеющих передаточные функции:



т. е. ДФ эквивалентен каскадному включению идеального дифференцирующего звена с передаточной функцией p и инерционного звена с передаточной функцией:



На выходах идеальных дифференциальных звеньев имеем сигналы:





причем, частота вращения может быть переменной величиной. Далее сигналы (2), (3) преобразуются инерционными звеньями с передаточной функцией (1) в сигналы .

На выходах перемножающих ЦАП 8 и 9 формируются сигналы , поступающие на ИФ 6 и 7, имеющие передаточные функции (1) и выходные сигналы V_a, V_в. Здесь оценка частоты вращения w, поступающая со счетного выхода РС 21.

Компараторы 10,13 сравнивают, соответственно, сигналы , -V_в и , V_a и имеют логические функции прямых выходов: .

Компараторы 11 и 12 сравнивают сигналы U_a, U_в и U_a,-U_в и имеют логические функции прямых выходов:

U_a>U_в, U_a>-U_в.

Их выходные сигналы используются для выбора с необходимым инвертированием одного из сигналов компараторов 10, 13, обеспечивающего максимальную чувствительность по частоте вращения.

На фиг. 2 показаны графики сигналов U_a, U_в при Const и выделены интервалы a⁺, в⁺, a^-, в^-, на которых выполняются следующие неравенства:

a⁺:U_a>U_в, U_a>-U_в;

в⁺:U_в>U_a, U_в>-U_a;

a^-:U_a<U, U_a<-U;

в^-:U_в<U, U_в<-U.

Схемы И 14-17, в сочетании со схемой ИЛИ 19, вырабатывают управляющий логический сигнал U. Если U=1, то РС 21 работает на прямой счет импульсов, а при U 0 происходит обратный счет. Логическая функция имеет вид:



В результате решается одно из уравнений ;

при этом

обеспечивается равенство .

Рассмотрим, например, интервал a⁺. При этом U_a>U_в, U_a>-U_в и на прямых выходах К 11,12 вырабатывается сигнал 1. Схемы И 14, 15, 17 имеют нулевой выходной сигнал. Если , т. е. если , то К 13 вырабатывает на прямом выходе сигнал 1, схема И 16 выдает сигнал 1, который через схему ИЛИ 19 попадает на управляющий вход U РС 21. С выхода ГИ 20 через схему И 18 на счетный вход РС 21 поступают импульсы и содержимое РС 21 увеличивается до выполнения равенства .

Если , то на интервале времени a К 13 выдает на прямом выходе ноль, который повторится на выходе схемы ИЛИ 19 и установит РС 21 в режим обратного счета импульсов. Содержимое РС 21 уменьшается до выполнения равенства .

При w 00.00 и U 0 или при w 11.11 и U 1 на выходе переноса РС 21 выбрасывается сигнал 0 и импульсы от ГИ 20 через схему И 18 не проходят. Этим обеспечивается защита от сброса содержимого РС 21. При этом код, равный 11. 11, соответствует частоте вращения- w_max, код, равный 00.00, соответствует частоте вращения _max, а код, равный 10.00, соответствует нулевой частоте вращения (0).

Экспериментальные исследования предлагаемого устройства в составе синхронной следящей системы показали, что оно обеспечивает измерение частоты вращения вала СКВТ практически без шумов, с точностью до 1 младшего разряда счетчика, т. е. до 0,04 об./мин, при максимальной частоте вращения 20 об. /мин. Это позволило повысить точность слежения в 5 раз за счет практически полной компенсации скоростной ошибки следящей системы.

Принцип построения следящей системы по частоте вращения, заложенной в предлагаемом устройстве, позволило повысить его быстродействие. Известно, что следящие системы с обратной связью по скорости значительно превышают системы с обратной связью по углу по достижимому диапазону регулирования скоростей (частот вращения). Кроме того, линейные инерционные фильтры, стоящие в параллельных каналах устройства, защищают его от входных шумов, не влияя на динамические характеристики, т.к. имеют простейшие передаточные функции. Использование же двух компараторов для формирования сигнала рассогласования по скорости обеспечивает максимальную чувствительность по частоте вращения во всем интервале изменения входного сигнала устройства. Использование предлагаемого устройства в системах синхронной передачи угла позволит значительно (не менее, чем в 2-3 раза) повысить точность передачи без снижения диапазона регулируемых скоростей, что расширит сферу применения таких систем, например, позволит применить их в роботах манипуляторов различного назначения.