RU2047890C1 - Digital system for speed stabilization - Google Patents

Abstract

FIELD: systems for automatic regulation. SUBSTANCE: device has zero level detector, pulse counter, mode setter, digital filter, shift register, shift signal generator, memory unit, which data input is connected through digital filter to output of generator of signal of error detected by angle. Address input of memory unit is connected to output of pulse counter. Control input of memory unit is connected to output of mode setter, which first input is connected to output of generator of signal of error detected by angle, second input of mode setter is connected to output of zero level detector. Output of memory unit is connected to first input of shift register, which output is connected to third input of adder, and second input of shift register is connected through shift signal generator to output of speed setter. first and second inputs of pulse counter are connected correspondingly to outputs of pulse detector and zero level detector. Device can be used in high-precision systems for stabilization of rotation speed of electric motors. EFFECT: increased precision of stabilization of rotation speed. 3 dwg

Description

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано в прецизионных системах стабилизации скорости вращения электродвигателей. The invention relates to automatic control systems and can be used in precision stabilization systems for the rotation speed of electric motors.

Известно устройство для стабилизации скорости электродвигателя, содержащее задатчик скорости, частотно-фазовый дискриминатор, импульсный датчик скорости, электронный ключ, электродвигатель[1] В этом устройстве сигнал управления электродвигателем зависит как от разности частот задатчика скорости и импульсного датчика, так и от фазового рассогласования этих сигналов. Недостатком данного устройства является малая стабильность мгновенной скорости при наличии внешних возмущающих моментов, а также ограниченный диапазон стабилизируемых скоростей, что связано с ограничением частоты переключения электронного ключа. A device for stabilizing the speed of an electric motor is known, comprising a speed adjuster, a frequency-phase discriminator, a pulse speed sensor, an electronic switch, an electric motor [1] In this device, the motor control signal depends on both the frequency difference between the speed setter and the pulse sensor, and on the phase mismatch of these signals. The disadvantage of this device is the low stability of the instantaneous speed in the presence of external disturbing moments, as well as a limited range of stabilized speeds, due to the limitation of the switching frequency of the electronic key.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство стабилизации скорости вращения электродвигателя содержащее задатчик скорости, подключенный через формирователь задающих импульсов к первому входу формирователя ошибки по углу, второй вход которого соединен с выходом импульсного датчика скорости, формирователь ошибки по скорости, первый вход которого соединен с выходом задатчика скорости, а второй с выходом импульсного датчика скорости, сумматор, входы которого подключены к выходам формирователей ошибок по углу и по скорости, цифроаналоговый преобразователь, связанный с выходом сумматора, усилитель мощности и электродвигатель, вал которого соединен с валом импульсного датчика. Таким образом имеется два канала формирования ошибки по углу и по скорости [2]
Недостатком этого устройства является наличие ошибки по углу, связанной с воздействием возмущающих моментов. Наличие этой ошибки ведет к нестабильности мгновенной скорости вращения. Уменьшение ошибки по углу может быть обеспечено путем увеличения коэффициента усиления системы. Однако это не всегда возможно из-за ограниченной жесткости механического соединения вал исполнительного двигателя нагрузка.Closest to the invention in technical essence is a device for stabilizing the speed of rotation of an electric motor comprising a speed adjuster connected through a driver of the pulse pulses to the first input of the error conditioner in the angle, the second input of which is connected to the output of the pulse speed sensor, the error conditioner in speed, the first input of which is connected to the output of the speed setter, and the second with the output of the pulse speed sensor, an adder whose inputs are connected to the outputs of the error conditioners by In terms of speed and speed, a digital-to-analog converter connected to the output of the adder, a power amplifier and an electric motor, the shaft of which is connected to the shaft of the pulse sensor. Thus, there are two channels for generating errors in angle and speed [2]
The disadvantage of this device is the presence of an error in the angle associated with the influence of disturbing moments. The presence of this error leads to instability of the instantaneous rotation speed. The reduction of the error in the angle can be achieved by increasing the gain of the system. However, this is not always possible due to the limited rigidity of the mechanical connection of the shaft of the actuator load.

Целью изобретения является повышение точности стабилизации скорости электродвигателя. The aim of the invention is to improve the accuracy of stabilization of the speed of the electric motor.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровую систему стабилизации скорости введены датчик нулевого положения, связанный с валом электродвигателя, задатчик режима, первый вход которого соединен с выходом формирователя ошибки по скорости, а второй вход соединен с выходом датчика нулевого положения, цифровой фильтр, вход которого соединен с выходом формирователя ошибки по углу, счетчик импульсов, первый вход которого соединен с выходом импульсного датчика, а второй вход подключен к выходу датчика нулевого положения, запоминающее устройство, вход данных которого соединен с выходом цифрового фильтра, вход управления подключен к выходу задатчика режима, а адресный вход соединен с выходом счетчика импульсов, формирователь сигнала сдвига, вход которого соединен с выходом задатчика скорости, регистр сдвига, первый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а второй вход подключен к выходу формирователя сигнала сдвига, при этом выход регистра сдвига соединен с третьим входом сумматора. This goal is achieved by the fact that a zero position sensor connected to the motor shaft, a mode dial, the first input of which is connected to the output of the speed error driver, and the second input is connected to the output of the zero position sensor, a digital filter, the input of which is introduced into the digital speed stabilization system connected to the output of the error shaper in an angle, a pulse counter, the first input of which is connected to the output of the pulse sensor, and the second input is connected to the output of the zero position sensor, which remembers A property whose data input is connected to the output of the digital filter, the control input is connected to the output of the mode switch, and the address input is connected to the output of the pulse counter, a shift signal generator, the input of which is connected to the output of the speed controller, a shift register, the first input of which is connected to the memory output device, and the second input is connected to the output of the shift signal shaper, while the output of the shift register is connected to the third input of the adder.

На фиг. 1 представлена функциональная схема цифровой системы стабилизации скорости; на фиг. 2 приведены диаграммы работы системы, где на диаграмме 2а показана угловая ошибка системы, на диаграмме 2б показана последовательность сигналов с импульсного датчика, на диаграмме 2в показаны сигналы с датчика нулевого положения, на диаграмме 2г показан сигнал на выходе ЗУ. In FIG. 1 is a functional diagram of a digital speed stabilization system; in FIG. Figure 2 shows the diagrams of the system, where diagram 2a shows the angular error of the system, diagram 2b shows the sequence of signals from the pulse sensor, diagram 2c shows the signals from the zero position sensor, and diagram 2d shows the signal at the output of the charger.

На фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма работы цифрового фильтра. In FIG. 3 presents a block diagram of the algorithm of the digital filter.

Цифровая система стабилизации скорости содержит задатчик скорости 1, подключенный через формирователь задающих импульсов 2 к первому входу формирователя ошибки по углу 3, второй вход которого соединен с выходом импульсного датчика 4, формирователь ошибки по скорости 5, первый вход которого соединен с выходом задатчика скорости 1, а второй с выходом импульсного датчика 4, сумматор 6, два входа которого подключены к формирователям ошибки по углу 3 и по скорости 5, а третий вход подключен к выходу регистра сдвига 7, первый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства (ЗУ) 8, а второй вход через формирователь сигнала сдвига 9 подключен к выходу задатчика скорости 1, при этом вход управления ЗУ 8 соединен с выходом задатчика режима 10, первый вход которого соединен с выходом формирователя ошибки по скорости 6, а второй вход задатчика режима 10 соединен с выходом датчика нулевого положения 12, адресный вход ЗУ 8 соединен с выходом счетчика импульсов 11, первый вход которого соединен с выходом импульсного датчика 4, а второй вход соединен с выходом датчика нулевого положения 12, вход данных ЗУ 8 соединен через цифровой фильтр 13 с выходом формирователя ошибки по углу 3, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, подключенный к выходу сумматора 6, усилитель мощности (УМ) 15 и электродвигатель 16, вал которого связан с импульсным датчиком 4 и датчиком положения 12. The digital speed stabilization system comprises a speed controller 1, connected through a driver pulse generator 2 to the first input of the error driver for angle 3, the second input of which is connected to the output of the pulse sensor 4, an error generator for speed 5, the first input of which is connected to the output of speed controller 1, and the second with the output of the pulse sensor 4, adder 6, two inputs of which are connected to the error conditioners in angle 3 and in speed 5, and the third input is connected to the output of shift register 7, the first input of which is connected to the output of the storage device (memory) 8, and the second input through the shaper of the shift signal 9 is connected to the output of the speed master 1, while the control input of the memory 8 is connected to the output of the master 10, the first input of which is connected to the output of the error conditioner by speed 6, and the second the input of the mode switch 10 is connected to the output of the zero position sensor 12, the address input of the memory 8 is connected to the output of the pulse counter 11, the first input of which is connected to the output of the pulse sensor 4, and the second input is connected to the output of the zero position sensor 12, input data memory 8 is connected through a digital filter 13 to the output of the error conditioner at an angle of 3, a digital-to-analog converter (DAC) 14 connected to the output of the adder 6, a power amplifier (PA) 15 and an electric motor 16, the shaft of which is connected to a pulse sensor 4 and a sensor, in series provisions 12.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На выходе задатчика скорости 1 устанавливается цифровой код заданной скорости. Формирователь задающих импульсов 2 вырабатывает последовательность импульсов с частотой, пропорциональной величине заданной скорости. Формирователь ошибки по углу 3 измеряет фазовый сдвиг между задающими импульсами и импульсами с импульсного датчика 4. Формирователь ошибки по скорости 5 измеряет разность между заданным и измеренным периодами следования импульсов. Таким образом в каждом периоде импульсов импульсного датчика 4 формируется цифровое значение ошибки по углу и скорости. Задатчик режима 10 управляет работой ЗУ 8. At the output of the speed controller 1, a digital code of the set speed is set. The driver pulse sets 2 generates a sequence of pulses with a frequency proportional to the value of the specified speed. The error generator for angle 3 measures the phase shift between the driving pulses and the pulses from the pulse sensor 4. The error generator for speed 5 measures the difference between the specified and measured pulse repetition periods. Thus, in each period of the pulses of the pulse sensor 4, a digital error value is generated in terms of angle and speed. The mode dial 10 controls the operation of the memory 8.

После включения системы в задатчике режима 10 осуществляется сравнение текущего значения ошибки по скорости, которое выдает формирователь 5, с заданным значением ошибки, при котором система переходит в режим стабилизации скорости. После того как текущее значение ошибки по скорости становится меньше этого значения происходит запись сигнала угловой ошибки на одном обороте в ЗУ 8, при этом используется сигнал с датчика нулевого положения 12. After turning on the system in the mode switch 10, the current value of the error in speed, which the driver 5 generates, is compared with the set error value, at which the system switches to the speed stabilization mode. After the current value of the error in speed becomes less than this value, the angular error signal is recorded at one revolution in the memory 8, and the signal from the zero position sensor 12 is used.

Ошибка по углу, которая возникает от воздействия низкочастотной составляющей возмущающего момента, действующего на ротор электродвигателя, носит регулярный характер (повторяется на каждом обороте). The angle error that arises from the influence of the low-frequency component of the perturbing moment acting on the rotor of the electric motor is regular (repeated at each revolution).

Случайная составляющая ошибки от воздействия возмущающего момента имеет высокочастотный характер и фильтруется цифровым фильтром 13 перед записью ошибки в ЗУ 8. С приходом каждого импульса с импульсного датчика 4 (диаграмма 2б) на выходе счетчика импульсов 11 формируется адрес ячейки, в которую записывается цифровое значение угловой ошибки. На последующих оборотах задатчик режима 10 переключает ЗУ 7 на чтение записанной угловой ошибки, причем адрес ячейки памяти в режиме считывания формируется аналогично (диаграмма 2г). The random component of the error from the influence of the disturbing moment has a high-frequency character and is filtered by a digital filter 13 before recording the error in the memory 8. With the arrival of each pulse from the pulse sensor 4 (diagram 2b), the cell address is generated at the output of the pulse counter 11, into which the digital value of the angular error is written . At subsequent revolutions, the mode switch 10 switches the memory unit 7 to read the recorded angular error, and the memory cell address in the read mode is formed similarly (diagram 2d).

Импульсы с датчика нулевого положения 12, которые поступают один раз за оборот вала электродвигателя (диаграмма 2,в), служат для обнуления счетчика импульсов 11, при этом устанавливается начальный адрес ячейки ЗУ 8. Кроме того, сигнал с датчика нулевого положения 12 используется для управления задатчиком режима 10. The pulses from the zero position sensor 12, which arrive once per revolution of the motor shaft (diagram 2, c), serve to reset the pulse counter 11, and the starting address of the memory cell 8 is set. In addition, the signal from the zero position sensor 12 is used to control mode dial 10.

Таким образом после записи сигнала на первом обороте происходит только считывание информации на ЗУ 8. Компенсирующий сигнал с выхода ЗУ 8 (диаграмма 2, г) поступает на вход регистра сдвига, в котором происходит временная задержка компенсирующего сигнала, необходимая, чтобы учесть фазовый сдвиг, который имеет моментная составляющая ошибки при увеличении скорости вращения и, следовательно, частоты возмущающих воздействий. Величина задержки регулируется формирователем сигнала сдвига 9, в котором происходит вычитание значения заданной скорости, при котором происходила запись сигнала угловой ошибки в ЗУ 8, и текущего значения заданной скорости. При этом величина полученной разности определяет временную задержку (фазовый сдвиг) компенсирующего сигнала в регистре сдвига 7. Далее сигнал с выхода регистра сдвига 7 складывается в сумматоре 6 с сигналами ошибок по углу и скорости. Суммарный сигнал преобразуется цифроаналоговым преобразователем 14 и через УМ 15 управляет электродвигателем 16. При этом происходит компенсация воздействия регулярного возмущающего момента в течение каждого последующего оборота ротора электродвигателя. Thus, after recording the signal at the first revolution, only information is read on the memory 8. The compensating signal from the output of the memory 8 (diagram 2, d) is fed to the input of the shift register, in which there is a time delay of the compensation signal, necessary to take into account the phase shift, which has a moment component of error with increasing rotation speed and, consequently, the frequency of disturbing influences. The delay value is regulated by the shifter of the shift signal 9, in which the value of the set speed is deducted, at which the angular error signal was recorded in the memory 8, and the current value of the set speed. The magnitude of the obtained difference determines the time delay (phase shift) of the compensating signal in the shift register 7. Next, the signal from the output of the shift register 7 is added to the adder 6 with error signals in angle and speed. The total signal is converted by a digital-to-analog converter 14 and, through the PA 15, controls the electric motor 16. This compensates for the effects of a regular disturbing moment during each subsequent revolution of the electric motor rotor.

Задатчик скорости 1 реализован в виде переключателей со схемой формирования стандартных цифровых сигналов. Speed controller 1 is implemented in the form of switches with a circuit for generating standard digital signals.

Формирователь задающих импульсов 2 представляет собой преобразователь код-частота. The pulse generator 2 is a code-frequency converter.

Алгоритм работы цифрового фильтра 13 представлен на блок-схеме фиг. 3. В процедуре 17 осуществляется ввод и накапливание текущих значений ошибок в массиве по номерам n (перед началом работы цифрового фильтра значение n устанавливается равным шестнадцати). В операторах 18 и 19 происходит уменьшение значения n на единицу и сравнение полученного значения с нулем. Если значение n не равно нулю, то это означает, что массив текущих значений ошибок не заполнен. Происходят выход из программного блока и ожидание, пока не возникает необходимость ввода следующего значения текущей ошибки, при этом опять процедура 17 и операторы 18, 19. Если значение n равно нулю, массив текущих значений ошибок заполнен и в процедуре 20 происходит определение средней ошибки по углу путем нахождения среднего арифметического из шестнадцати, записанных в массиве, текущих значений ошибки. Далее в процедуре 21 определяется разность между полученным средним значением и средним значением ошибки, вычисленным для предыдущих шестнадцати значений текущей ошибки. Полученное значение делится на шестнадцать, тем самым вычисляется приращение ошибки по углу. Оператором 22 устанавливается значение n равным шестнадцати. В процедуре 23 происходит суммирование n-ого значения ошибки с приращением. В процедуре 24 осуществляется запись компенсирующего сигнала в ЗУ 3. В операторах 25 и 26 происходит уменьшение значения n на единицу и сравнение с нулем. Если n не равно, то осуществляется переход на процедуру 23, иначе оператором 27 переменной n присваивается значение, равное шестнадцати, и осуществляется выход из программного блока цифрового фильтра. The algorithm of operation of the digital filter 13 is shown in the block diagram of FIG. 3. In procedure 17, the input and accumulation of the current error values in the array by numbers n are performed (before the digital filter starts to work, the value n is set to sixteen). In operators 18 and 19, the value of n decreases by one and the resulting value is compared with zero. If the value of n is not equal to zero, then this means that the array of current error values is not filled. The program block exits and waits until it becomes necessary to enter the next value of the current error, and then again procedure 17 and operators 18, 19. If the value n is zero, the array of current error values is filled and in procedure 20 the average error is determined by the angle by finding the arithmetic mean of the sixteen recorded in the array, the current error values. Next, in procedure 21, the difference between the obtained average value and the average error value calculated for the previous sixteen values of the current error is determined. The resulting value is divided by sixteen, thereby calculating the increment of the error in the angle. Operator 22 sets the value of n to sixteen. In procedure 23, the nth error value is added in increments. In procedure 24, the compensation signal is recorded in memory 3. In operators 25 and 26, the value of n decreases by one and compares with zero. If n is not equal, then the process proceeds to procedure 23; otherwise, the operator n assigns a value of sixteen to the variable n and exits the digital filter program block.

Импульсный датчик 4 и датчик нулевого положения 12 фотоэлектрического типа вырабатывают z импульсов при повороте вала датчика на один оборот. При этом для датчика нулевого положения z=1. Датчики 4 и 12 могут быть индукционного типа. The pulse sensor 4 and the zero position sensor 12 of the photoelectric type generate z pulses when the sensor shaft is rotated one revolution. Moreover, for the zero position sensor z = 1. Sensors 4 and 12 can be of induction type.

Экспериментальные исследования макета системы показали, что в предлагаемой цифровой системе стабилизации скорости систематическая ошибка стабилизации скорости, вызванная регулярной составляющей возмущающего момента, уменьшается не менее чем в 5 раз. Тем самым повышается точность стабилизации скорости электродвигателя без повышения коэффициента усиления системы. Experimental studies of the layout of the system showed that in the proposed digital speed stabilization system, the systematic error in speed stabilization caused by the regular component of the disturbing moment decreases by at least 5 times. This improves the accuracy of stabilization of the speed of the electric motor without increasing the gain of the system.

Claims (1)

ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ, содержащая последовательно соединенные задатчик скорости, формирователь задающих импульсов, формирователь ошибки по углу, сумматор, цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности и электродвигатель с импульсным датчиком на валу и формирователь ошибки по скорости, включенный между выходом задатчика скорости и вторым входом сумматора, причем выход импульсного датчика подключен к вторым входам формирователей ошибки по углу и по скорости, отличающаяся тем, что между выходом формирователя ошибки по углу и третьим входом сумматора включены последовательно соединенные цифровой фильтр, запоминающее устройство и регистр сдвига, между выходом задатчика скорости и вторым входом регистра сдвига включен формирователь сигнала сдвига, между адресным входом запоминающего устройства, и выходом импульсного датчика включен счетчик импульсов, между входом управления запоминающего устройства и выходом формирователя ошибки по скорости включен задатчик режима, а вторые входы задатчика режима и счетчика импульсов подсоединены к выходу датчика нулевого положения, связанного с валом электродвигателя. DIGITAL SPEED STABILIZATION SYSTEM, comprising serially connected speed adjuster, driver pulse generator, angle error generator, adder, digital-to-analog converter, power amplifier and electric motor with a pulse sensor on the shaft and speed error generator connected between the output of the speed controller and the second adder input moreover, the output of the pulse sensor is connected to the second inputs of the error conditioners in angle and speed, characterized in that between the output of the driver The angle and the third input of the adder include a series-connected digital filter, a storage device and a shift register; between the output of the speed adjuster and the second input of the shift register, a shift signal generator is turned on, a pulse counter is connected between the address input of the storage device and the output of the pulse sensor, between the control input of the memory device and the output of the error generator for speed, the mode dial is turned on, and the second inputs of the mode dial and pulse counter are connected to the output d the zero position sensor associated with the motor shaft.

Images