автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка частотных преобразователей скольжения для электромеханических систем управления

РГ8 О,.

2 0 и

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Александр Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СКОЛЬЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации»на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре Управления и Информатики Смоленского филиала Московского Энергетического института (технического униь^реи-тета).

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Лохин Валерий Михайлович кандидат технических наук Муравьев Михаил Александрович

Ведущая организация - НЩ ■ Эксплуатации и ремонта

авиационной техники

Защита диссертации состоится ". Ш0//4 1996 г. в ау-

дитории /-31Оь /6 час. мин. на заседании диссертационного

Совета К 053.1«.09. Московского .энергетического института (технического университета).

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью.) просим направлять по адресу: _ Т11250 Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, д. 14. Ученый Сипет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "_"___ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 053.16.09. к.т.н.,доц.

Дорошенко А. Н.

- з -

ОГДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Состояние и развитие большинства отраслей промышленности г: значительной мере определяется достигнутым уропнем и псрсиегстииами (ксши-пш электромашиностроения, в частности, в области производства электроды: гателей. Массовый характер их выпуска, особенно асинхронных (несколько млн. штук в год), огромная суммарная потребляемая мощность - около 4и/, всей вырабатываемой в стране крайне остро ставят вопрос об их качестве, характеризуемом целым рядом различных параметров. В свою очередь качество контроля последних определяется достигнутым уровнем средств автоматики и контроля, требует постоянного улучшения технических характеристик целых классов преобразователей информации.

Одним из важнейших параметров асинхронного двигателя является скольжение S=(nc-n)/nc, характеризующее величину относительной разности скоростей вращения поля статора пс и ротора п. Измерение его исключительно важно, поскольку это одна из немногих независимых координат двигателя, определяющих значение большого количества других параметров в статических и переходных режимах. Использование сигнала, пропорционального скольжению, позволяет оптимизировать целый ряд динамических и энергетических показателей систем частотного асинхронного электропривода. Вместе с тем известные скользиметры имеют большую погрешность измерения среднего скольжения, не обеспечивают контроля его при меняющихся частотах сети, характерных для частотного управления; отсутствуют приборы контроля мгновенных значений скольжения для динамических режимов двигателя. Получение аналогового или цифрового, пропорционального скольжению сигнала не обеспечивается, либо производится с неудовлетворительной точностью.

В связи с этим актуальной научной задачей, имеющей как чисто теоретическое, так и прикладное 'значение является разработка алгоритмов и структур автоматических устройств для получения и преобразования скольжения с учетом выполнения заданных требований к их статическим и динамическим характеристикам. Актуальность задачи с чисто теоретической точки зрения обосновывается, как показывает проделанный обзор работ, отсутствием какого-либо единого подхода к анализу алгоритмов контроля скольжения, с точки зрения потенциальных возможностей по точности и быстродействию реализующих их разомкнутых и замкнутых структур. Это исключительно важно с учетом специфики самого параметра скольжения, являющегося весьма малой (единицы процентов) относительной разностью двух частот. Прикладной аспект задачи представляется доста-

точно очевидным ввиду отмоченного широкого использования получении? результатов в разработках устройств данного класса.

Целью работы является разработка автоматич"СКих устройств дл> контроля и преобразования скольжения, исследование их статических I динамических характеристик, разработка схемных реализаций устройств > их отдельных элементов.

В соответствии с указанной целью определены следующие задачи исследования :

1. Исследование методов контроля и преобразования скольжения I выявление оптимальных с точки зрения возможностей повышения точности I быстродействия.

2. Разработка и исследование алгоритмов и реализующих их структур аналоговых и цифровых скользиметров и преобразователей среднего значения, обеспечивающих высокую точность преобразования, как при фиксированной частоте сетевого напряжения, так и в режиме частотного управления скоростью двигателя.

3. исследование и разработка алгоритмов и структур аналоговых и цифровых преобразователей мгновенного скольжения высокой точности с временем преобразования, сравнимым с периодом питающего напряжения.

Методы исследования в диссертации базируются на аппарате теории цепей, автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность полученных научных положений, выводов и рекомендаций автора подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных исследований с расчетными,а также практикой использования разработанных скользиметров и их функциональных узлов.

Научная новизна.Основные научные результаты заключаются в следующем:

1. Предложены и исследованы структуры скользиметров среднего значения повышенной точности на основе преобразователей частоты и периода в напряжение с опорным генератором, разработана методика выбора их основных параметров,•Аолучены оценки потенциальных возможностей аналоговых скользиметров среднего значения по быстродействию.

2. Исследованы предложенные способы циклического и следящего цифрового измерения среднего скольжения, обладающие в сравнении с известными повышенным быстродействием.

3.Показана эффективность применения многоканальных структур,предложенных для повышения быстродействия скользиметров мгновенного значения. Найдены условия сходимости процессов двойной и тройной коррекции пс

текущему значению.

4. Разработана методика получения вероятностных оценок стати1и-с-кой и динамической погрешности цифровых скользиметров м1,нопенного ; иа чения.

Практическая ценность работы. Предложены, разработаны и зксп<;ри ментально исследованы аналоговые скользиметры среднего значения повышенной точности и цифровые скользиметры среднего значения, циклического и следящего преобразования с повышенным быстродействием.

Разработан и экспериментально исследован аналоговый сколъзим^тр мгновенного значения с адаптивным смещением сравниваемых периодов.

Предложены, разработаны и экспериментально исследованы скользиметры мгновенного значения с автоматической коррекцией следящего типа и с встроенным арифметическим устройством, цифровые и цифро-аналоговые умножители частоты частотно-временные и время-импульсные вычислительные устройства, предназначенные для работы в составе скользиметров.

Реаливаия результатов. В Ереванском -отделении ВНИИЭМ используются три образца приборов, выполненных с использованием результатов работы автора, предназначенные для измерения и регистрации скольжения и других параметров двигателей. На Ново-Каховском электромашиностроительном заводе по схеме, предложенной автором, реализован быстродействующий скользиметр для динамических испытаний электрических машин.

Результаты исследования аналоговых и цифровых скользиметров, полученные в диссертации использованы в разработках кафедры Управления и информатики СФ МЭИ для п/я Р-6794 по созданию вторичного прибора для измерения и регистрации вращающего момента, скорости вращения, скольжения и механической мощности электрических микромашин.

Самокорректирующееся устройство для определения относительной разности двух частот (относительной девиации) используется предприятием п/я В-2725. Там же в информационно-вычислительном комплексе нашла практическое применение группа частотно-временных и время-импульсных счетно-решающих устройств с двойной и тройной коррекцией по текущему значению.

На Смоленском-(8аводе "Измеритель" при испытаниях иделия "Тес-тер-УЗМ" применяются цифровые устройства контроля относительной нестабильности мгновенной частоты вращения приводного двигателя и детонации скорости носителя информации.

Апробация работы. Основные теоретические положения и экспериментальные результаты докладывались и обсуждались на шести Всесоюзных и республиканских конференциях и симпозиумах, на научных семинарах кафедр Управления и информатики СФ МЭИ и МЭИ.

Публикации. Но теме диссертации опубликовано 62 научные работы, i том числе 36 изобретений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена па 291 странице, из них 150 страниц основного текста, содержит 134 рисунка, V таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы т 188 наименований и 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы и дана ее общая характеристика.

В первой главе дается аналитический обзор методов контроля и преобразования скольжения и определяются направления исследования и разработки. Здесь, в частности, показано, что существующие устройства целесообразно классифицировать по способу съема информации с испытуемого двигателя. При этом все многообразие скользиметров удается представить пятью группами: с датчиками частоты тока ротора; биротативные; с моделирующими контурами; с импульсными датчиками частоты вращения и стробоскопические. Среди указанных групп наиболее перспективными в смысле решения поставленных задач разработки оказываются скользиметрн с импульсными датчиками частоты вращения. Устройства именно этого класса обеспечивают простоту съема информации при наличии высокой помехоустойчивости, отсутствии неоднозначности отсчета, инвариантности результатов преобразования от изменений параметров эквивалентной схемы деи-гателя и работоспособности при испытаниях машин любой полюсности.

Для уточнения направления разработки таких скользиметров в данной главе выделены 3 группы скользиметров по виду обрабатываемой информации: скользиметры с обработкой сигналов частот (ССЧ); с обработкой сигналов в форме периодов (ССП) и комбинированные (ССЧП), предложены различные структуры и показана целесообразность применения в скользи-метрах среднего значения структур ССЧ, а в преобразователях мгновенного скольжения - структур ССП и ССЧП.

Вторая глава диссертации посвящена разработке и исследованию методов построения скользиметров среднего значения. Здесь рассмотрены особенности применения аналоговых и цифровых устройств, уточнены требования к их структурам.

Анализом обобщенных алгоритмов ССЧ, предложенных в первой главе, с учетом аддитивных и мультипликативных составляющих погрешности показана оптимальность структуры рис.1. Данной структуре соответствует ре-

зультирующая погрешность преобразования

А1 Д* К^с К2Гр

1-5

б-(б1-<"|-/)--

Э

1-Я Л| Дз Д/1 Б КгГс КхКпЛГ К3К4з'

1 где К1--К2, Кз,К4 - соответственно, коэффициенты передачи преобразователей частота-напряжение Па.Пг (ПЧН), сумматора и делительного устройства ДУ 61,6,2,53.54, Д1,Д2,Дз.Л4 " мультипликативные и аддитивные составляющие их погрешностей. Из (1) следует, что особые требования здесь предъявляются к ПЧН двух каналов, поскольку составляющие их погрешностей входят в результирующую с весом, -^1/5. Отмеченные обстоятельства не позволяют использовать классические ПЧН. Действительно, даже при использовании высокоточных (с погрешностью в ±0,1%) ПЧН и преобразований скольжения в диапазоне 0+3% результирующая погрешность имеет величину более 6.7%.

Для повышения точности аналоговых скользиметров было предложено испольэовать в них ПЧН с опорным генератором (ПЧН ОГ). с запиткой формирователей амплитуды импульсов от одного источника. При этом удается структурно скомпенсировать основную составляющую погрешности двух ПЧН, обусловленную изменениями вольт-секундной площади осредняемых импульсов. Структура ССЧ с ПЧН ОГ приведена на рис. 2. Работа ее происходит следующим образом. Входные сигналы с частотами ¿с сети и (р ротора, снимаемые с формирователя канала сети и датчика скорости, запускают формирователи длительности импульсов ФДИ1 и ФДИ2, вырабатывающие на каждый запускающий сигнал импульс длительностью в п периодов Тги вспомогательного генератора. Амплитуда этих импульсов с помощью источников импульсов ИИ1, ИИ2. нормируется до величины ио путем подключения к шине 1!о на время действия этих импульсов. Сглаживающие фильтры выделяют постоянную составляющую импульсных последовательностей. На выходе фильтров образуются напряжения и^КхиопТги^р, иг^КгиопТги^с- Здесь К^, Кг масштабные коэффициенты каждого из преобразователей частоты в напряжение. Сумматор производит алгебраическое суммирование трех сигналов - двух входных и1 и иг и напряжения обратной связи. Последнее образуется на выходе сглаживающего фильтра СФЗ при осреднении им импульсов длительностью пТги с частотой следования ^ и амплитудой иВЫх и имеет величину КзивыхПТгиГс-иос- При большом коэффициенте усиления усилителя разностное выходное напряжение сумматора, являющееся входным сигналом УПТ примерно равно нулю, тогда при К1=К2 иВЫх»К(Гс-Гр)/Гс- КЗ, где К=и0К1/К3.

а -

Проведенный в данной главе анализ статических характеристик ,>той !'т|л/ктурн I.' учетом нескомпенсированных составляющих погрешности номю-.¡мл (.'Формулировать требования к отдельным блокам устройства. Пока;■■.то.

частности, что сумматор следует выполнять по последовательно-каран-' лелмюй схеме, с последовательным суммированием сигналов двух НЧ11, •люсноипи выбор коэффициента усиления УПТ по допустимой погрешности выполнения операции деления и заданному диапазону преобразуемых сколь-ний.

Анализ динамических характеристик данной структуры проведен с учетом особенностей работы ПЧН ОГ в преобразователях скольжения. Пер вая из них ьакмючаетсн в существенно повышенных, в сравнении с их обычным применением, требованиях к коэффициентам сглаживания. Данное обстоятельство искючает применение эдесь обычных однозвенных фильтров из-за их большой инерционности (время переходного процесса десятки секунд) . Была найдена связь числа звеньев оптимального по быстродействию Фильтра с диапазоном преобразуемых скольжений Б и допутисмой погрешностью 5. а также зависимость нормированного времени переходного про-нео-а I „п аналогового скользиметра ССЧ в функции б и Б.

Вн>рой лнявленной особенностью работы ПЧН в скольэиметрах г:сч является наличие скачков положения осредняемых импульсов. Указанные . качки обусловлены принципиальным отсутствием синхронизации импульсов преобразуемых частот Гс,Гр с импульсами используемого опорного генератора. Происходящее при этом запаздывание формируемых ФДИ импульсов постепенно увеличивается до величины Тог. в результате чего происходит <:.|сачок положения. В результате анализа механизма скачков найдена связь частоты скачков ГСк с диапазоном преобразуемых частот и частотой опор-

ге!1ератора, показано, что ГСк может принимать любыесколь угодно манне значения (единичные скачки). К методической погрешности ПЧН они не приводят, однако при их действии на выходе сглаживающих фильтров появляется дополнительный всплеск напряжения. Проведенный анализ работы Фидьров в условиях действия скачков позволил получить зависимость ■мела периодов опорного генератора, используемых в ФДИ, при котором велм'-шьа дополнительного всплеска не превышает допустимой для различны < п.^ числу звеньев фильтров.

При разработке алгоритмов цифровых преобразователей скольжения • ". '.'.•.•.." !■•!. задача обеспечения допустимой (на уровне десятых долей про-ц/'? . [¡огрешности за время не более 10-15 секунд при использовании V■ простых технических средств.

1'а;ч>аОотаии алгоритмы цикли'М'сг.'! м'о и слиднигги цифрог.- т< > и| •• < « м >. < зопания. Реали.чация нериого из них поясняется структурой рп<:.:<. Гаг.м-,--(■V ПРОИСХОДИТ СЛОДУМЦИМ оОра:.ЮМ: ус.троЙСТИО уПрЧЫЮНИН УУ. ИОП-'.'Н.:..;-сигналы Фс и Дс формирует в течение измерительного интервала t.M 01 дельные измерительные такты длительностью 2ТР, выделяя в пределах каж дого из них период Тс. Сигналами от УУ изменяется направление счета г реверсивном счетчике РСЧ. Причем, от начала такта до начала выделении Тс счетчик РСч суммирует импульсы генератора ГИ, во время действия Тс, эти импульсы вычитаются им, а остальное время до окончания такта снопа производится суммирование. В следствие этого за один такт счетчик увеличивает свое состояние на Ni=2(Tp-Tc)f импульсов. Измерительный интервал Ьи равен времени просчета счетчиком Сч No импульсов t,M = h'o/f. В течение tM формируется N=tn/2TP тактов измерения. За это время г. счетчике РСч фиксируется число

N = Ni-t„/2Tp = No(Tp-Tc)/Tp = N0S, (2)

которое пропорционально скольжению. Описанный алгоритм обеспечивает время измерения скольжения с приведенной погрешностью 5, равное tn*2Tp/5. Это в 2/S раз меньше, чем у известных процентных частотомеров, где оно составляет 1/ö'l/S периодов Тр.Например,при измерении скольжения в диапазоне 0+3% у двигателей промышленной частоты с погрешностью 0= 0,5% оно равно,соответственно 4 и 120с.

Проведенный анализ погрешностей позволил выявить две специфические составляющие высокочастотную и низкочастотную. Первая из них обусловлена дискретностью формирования числа Ni в каждом такте. Суммарное ее значение, с учетом большого ( Ьи/21р) прибретает свойство нормальности, так что ее приведенное значение на уровне Зб имеет величину

1 пг

бвч = - /- • (3)

S / N0fTp

Низкочастотная составляющая имеет более сложную структуру. Она является следствием'случайности расположения окончания измерительного интервала по отношению к границам последнего такта (аналогичная составляющая другого знака устраняется синхронизацией tH с началом первого такта), при этом действует и второй источник случайности, вызываемый неоднозначностью расположения Тс внутри последнего такта.

Для определения доверительного значения приведенной низкочастотной погрешности была найдена плотность ее распределения через плотность совместного распределения двух компонент,- части последнего так-

Рис. 1. Структурная схема аналогового скользиметра ССЧ среднего значения

Рис. 2. Структурная схема скользиметра ССЧ с ПЧН ОГ

Рис. 3. Структурная схема циклического цифрового скользиметра среднего значения

та измерения и приращения кода РСЧ. Совместный анали» низкочастотной и высокочастотной погрешностей позволил получить ргсч'-тнис ссютмошишя для вы'"юра частоты Г гм квантующего генератора и интервала 1И не задаи-ному диапазону о, величине доверительной вероятности 0 и допустимым ¡»начешем 5ВЧ и 81|Ч,

/вич-за-э)^

f _ -:--------. (/1)

8ВЧТС /1+8- /7Г-3)2-(5+1) (0-3(3-5)/Г^2)

Предложенный алгоритм следящего цифрового преобразования обеспечивает непрерывность процесса контроля среднего скольжения. Реализацию его поясняет структура, представленная на рис.4 (рассматривается структура без выделенного пунктиром регистра Рг). Работа ее происходит следующим образом: схема управления СхУ, тактируясь входными сигналами, формирует последовательность чередующихся импульсов, равных по длительности Тр и Тс. Во время действия Тс реверсивный счетчик РСч работает в режиме сложения, а при существовании импульсов другого вида -на вычитание. Одновременно переключается и перекидной ключ Кл, так. что в первом случае на вход счетчика поступают импульсы непосредственно от генератора импульсов ГИ, а во втором с выхода блока обратной связи, реализованного в виде преобразователя код-частота ПКЧ. В.установившемся режиме код счетчика пульсирует относительно некоторого среднего значения, обеспечивающего равное число импульсов суммируемых и вычитаемых, что соответствует равенству Tcfni = Tpfoc. здесь foc -частота с выхода ПКЧ. Она пропорциональна коду N счетчика foc = =Кпкч'N. где Клкч = ги - коэффициент передачи ПКЧ. Поэтому в статике код, формируемый в счетчике имеет величину N = 2П-ТС/ТР. Выходной код скользиметра NBUx снимается с инверсных выходов счетчика. Следовательно Ивых-(2n-2nTc)7Tp=2nS. Он пропорционален скольжению. Изменения периодов Тр, Тс приводят к изменению соответствующих суммируемых и вычитаемых кодов - это в свою очередь меняет состояние счетчика, - таким образом и осуществляется следящий принцип измерения скольжения.

Из рассмотрения работы данной структуры следует, что выходной код Nbux содержит две составляющие погрешности: первую, обусловленную

Рис.4. Структурная схема следящего цифрового скользиметра среднего значения

Рис. 5 Структурная схема преобразователя с двойной коррекцией по текущему значению

пульсациями кода в счетчике. - будем называть ее низкочастотной 5ц.1. и вторую. вызываемую дискретностью представления периодов ТР. Тг, ■ им сокочастотиой 5г,ч.

Для получения соотношений, связывающих период генератора Три. разрядность цифровой части N с допустимыми значениями погрешностей бнч.бьч и диапазоном преобразуемых скольжений 3 было рассмотрено про хождение информационного и шумового сигнала через замкнутую систему, которая рассматривалась как система непрерывная, что привело к следующим результатам

Тги - Тс-2бвч/3 /гЗ/5нч(1-5) Г(1-23)'':И], (6)

3 / (1-3)(2-5)[(1-23)2+1] п = 10^2 - • (?)

БЗбвч /бнчЗ

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованиям методов построения скользиметров мгновенного значения. Устройства данного класса предназначены для приведения динамических испытаний машин, а также для использования в качестве встроенных преобразователей, датчиков сигналов местной обратной связи систем частотного асинхронного электропривода. Разработку их целесообразно вести по двум направлениям. Так, наряду с исследованием структур, специально разрабатываемых для контроля мгновенных скольжений, оказывается необходимым рассмотреть вопросы возможности резкого улучшения динамических характеристик скользиметров среднего значения, анализа и выявления оптимального из временных алгоритмов формирования разностного сигнала с учетом наличия принципиальной дискретности моментов поступления информации о фактической и синхронной скорости вращения.

Рассмотренные в первом разделе структуры скользиметров ССП формально обеспечивают получение требуемых динамических свойств. Рассмотрение же статических характеристик применительно к аналоговым устройствам показывает, что наиболее оптимальна структура, аналогичная представленной на рис.1 с заменой преобразователей частот на преобразователи периодов. Однако ей также характерно "подчеркивание" составляющих погрешностей преобразования ТР,ТС в пропорциональные сигналы. Для существенного повышения точности таких скользиметров предложен метод адаптивного смещения. Он обеспечивает структурную компенсацию веса составляющих погрешности вычитаемых сигналов. Формально этот метод

сводится к тому, что преобразование периодов в напряжение заменяется преобразованием разностей атих двух периодов с некоторым смещающим интервалом 1,и. Получаемые при утом сигналы отлич;и<>тся но на игокши.ко процентов (пропорционально периодам), а в несколько раз. (-/'те.-тленно. что вес- погрешностей преобразования при этом резко уменьшается. Погрешность б такой структуры (в пренебрежении погрешности операции деления) определяется соотношением

5=

(Тр^„) (1+51)-(Тс^и) (1+62) Тр-Тс Тр 61 тР-£и 6?. ТСЧИ

Тр(1+53) Тр Тр-Тс б тр Б Тр

-б3.

Отметим,что к стабильности смещающего интервала особых требований не предъявляется. Более того, рационально делать его меняющимся, адаптивным к изменениям периода Тс.

В данной главе рассмотрены также методы повышения быстродействия аналоговых скользиметров ССЧ 8а счет введения дополнительных каналов. Рассмотрены статические и астатические варианты таких двухканальных преобразователей с аддитивной и мультипликативной композицией сигналов основного и дополнительного каналов. Найдены основные расчетные соотношения для их проектирования, показана рациональность применения двухканальных скользиметров дополнительного аддитивного канала в статическом варианте. К большему эффекту повышения быстродействия приводит разработанный автором метод двойной коррекции по текущему значению, поясняемый структурой рис.5. Ключ Кл1 осуществляет подачу на вход преобразователя либо текущего значения Хь либо величины к^. Ключ КлЗ, работающий в противофазе с'Кл1 обеспечивает за счет периодического подключения масштабного блока с коэффициентом передачи ка получение непрерывного по уровню выходного сигнала преобразователя. Одновременно производится и переключение ключа Кл2, поэтому система работает попеременно то с аддитивной, то с мультипликативной коррекцией. Такое комбинированное применение дополнительных каналов эквивалентно последовательно проводимым поворотам характеристики преобразователя и ее смещениям вплоть до совпадения с идеальной, после чего интеграторы переходят в режим памяти и не меняют своего состояния. Это обеспечивает точную отработку изменений XI безынерционными блоками кг, кз, БПК (блок с переменным коэффициентом передачи) и, как следствие, безынер-ционность всего преобразователя в целом.

Найл-.-но достаточное уилог.И': сходимости процесса коррекции, 1кчса:(а-но. что для итого необходимо аддитивную коррекцию проводить при меньших, а мультипликативную, соответственно. при больших значениях преоб радуемого еигнма. Получены основные соотношении дли проектирования преобра»ователя по заданным исходным составляющим ба;,;,, 5му,ЛЬт погрешности корректируемого преобразователя.

Для существенного повышения быстродействия цифрового следящего скользиметра среднего значения с возможностью использования его в качестве преобразователя мгновенного скольжения предложено введение фиксации выходного кода с помощью регистра, включаемого между РСЧ и ПКЧ (см. рис.4). При этом низкочастотные пульсации кода принципиально исключаются. Постоянную времени цифрового интегратора удается уменьшить примерно на два порядка, обеспечивая за счет этого необходимое увеличение быстродействия. Анализ такой структуры, являющейся замкнутой цифровой импульсной системой, позволил выявить условия устойчивости 0<Гги<2'2п/Тр и исследовать качество переходных процессов. При этом выявлено существование двух частот настройки (частоты Гги). одна из них оптимальна по быстродействию, обеспечивая минимум средней длительности переходного процесса в заданном диапазоне Б, а вторая оптимальна по точности (обеспечивает минимум ошибки преобразования). Сравнением двух видов настройки показана большая эффективность использования первой. Для проектирования цифровых скользиметров данного типа по заданным требованиям (Б,б) получены необходимые расчетные соотношения.

Отдельного рассмотрения требует вопрос оценки максимально возможного быстродействия цифровых преобразователей мгновенного скольжения, реализуемых на основе микропроцессорных структур. По характеру преобразования они могут быть, как циклическими, так и следящими, имея в том, или другом случае свои специфические динамические особенности. Обусловлены они дискретностью моментов поступления информации о текущих ТсДр и отсутствием их синхронизации. Это приводит к появлению запаздывания получаемого результата при циклическом преобразовании и эквивалентной динамической ошибки следящего способа. Указанные величины носят случайный характер, средние их значения определяются временными алгоритмами формирования кода Мдт, пропорционального разности периодов (Тр-Тс) (формирование кода производится одновременно).

Для характеристики запаздывания получаемого по различным алгоритмам результата циклического преобразования введено понятие эквивалент ного момента измерения, расположенного в центре измерительного интервала Ьн (интервала существования периодов Тр,Тс через которые формиру-

"ТСИ кпд НЛ|). 0[>сЮНО!1ИО ПЯТИ ВОЗМОЖНЫХ прпмснннх алгоритмов (]орМН|"1 1'чЧпия Nat циклического способа позволило выявить оптимальный из них. со случайным порядком следования перекрывающихся периодов.Получаемый с <то помощью результат имеет наименьшее,в сраинении с другими ангорпт мами, запаздывание

t3an = (Тр+Тс)/4+2ТсТр/(Тс+Тр). (U)

Для следящего способа цифрового преобразования предложены два алгоритма с регулярным и случайным циклами. Доказана больше-ш по быстро действию эффективность случайных циклов, обусловленая их "смыканием" с отсутствием пауз,характерных для регулярных циклов. Найдено математическое ожидание длительности случайных циклов и нормированная закиси мость M(tu) от диапазона преобразуемых S.

В данной главе проанализированы так же структуры быстродействующих преобразователей скольжения с умножителями частоты (УЧ). Показана оптимальность с точки зрения простоты реализации и обеспечения требуемого качества статических и динамических характеристик структуры ССЧП с одним УЧ, реализующим алгоритм

Ns=No-(No-fp)Tc. (9)

использующий умноженную в No раз частоту fp. Практическая реализация этого алгоритма требует разработки быстродействующих и высокоточных УЧ В четвертой главе диссертации рассматриваются особенности практической реализации аналого-цифровых скользиметров среднего и мгновенного значения, а также их отдельные функциональные узлы.

На основе обобщенной структуры ССЧ с ПЧН ОГ разработано несколько модификаций скользиметров среднего значения, имеющие свои специфические особенности. В частности разработан аналоговый скользиметр с сумматором- модулятором, обеспечивающий последовательное суммирование сигналов двух ПЧН ОГ (именно такое суммирование, как это показано во второй главе является оптимальным). Для построения двухканальных скользиметров мгновенного значения были разработаны преобразователи с одним сглаживающим фильтром, что необходимо в целях наибольшего получаемого от введения дополнительного канала эффекта по повышению быстродействия. Поскольку указанный фильтр при этом оказывается включенным в тракт, охваченный обратной связью, выполнение его оптимальным многозвенным нецелесообразно с точки зрения ухудшения условий устойчивости. Для повышения быстродействия однозвенных фильтров было предложено выполнение их по дифференциальной схеме.

Проведенный в данной главе анализ работы таких фильтров с учетом экспоненциальной формы пульсаций дает основные расчетные соотношения

для выоора элементов фильтров.

){мл реализации быстродействующих каналов двух канальных скольпимот-ров Ошш предложены, разработаны и проанализированы ПЧН с генератором гиперболического напряжения и итеративный аналоговый скользиметр.

Практической реализацией метода адаптивного смещения является описанный здесь аначоговый скользиметр мгновенного значения, построенный на основе двух интеграторов постоянного тока. Предложенные Функциональные связи обеспечивают не только уменьшение аддитивных составляющих погрешности за счет алгоритма адаптивного смещения, но и полностью компенсируют погрешности, вызываемые изменениями крутизны интеграторов. Воплощением разработанных во второй и третьей главах цифровых методов преобразования среднего и мгновенного скольжения являются:

- циклический скользиметр среднего значения. Отличительная особенность его реализации состоит в методе уменьшения низкочастотной погрешности эа счет искусственного увеличения измерительного инторвала па члг.тъ последнего такта, не вошедшего в 1И.

Время измерения при этом оказывается равным

Ьи - 2Тр/5нч • (Ю)

Оно не зависит от диапазона измеряемых скольжений и реализует потенциальные возможности описанного метода;

- многопредельный следяший цифровой скользиметр, обеспечивающий два режима работы с преобразованием среднего или мгновенного значения скольжения;

- микропроцессорный преобразователь скольжения. Он предназначен для преобразования мгновенного скольжения в цифровой восьмиразрядный код, имеет автоматический выбор пределов скольжения и реализует потенциальные возможности по быстродействию структур ССП за счет использования циклического алгоритма с произвольным порядком перекрывающихся периодов и следящего алгоритма со случайными циклами.

Несколько меньшим быстродействием, но более простым (и соответственно имеющим меньшую стоимость) оказывается описанный в данной главе цифроаналоговый скользиметр с встроенным умножителем частоты, реализующий метод двойной коррекции по текущему значению.

В заключении изложены основные результаты работы.

В приложениях 1-9 приведены некоторые дополнительные теоретические и прикладные материалы, протоколы испытаний скользиметров, сводная таблица основных показателей известных и разработанных скользиметров, а также акты об использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОЬИЫЕ I 'IПУЛЬТАТИ РАБОТЫ

Итогом ц-^оти являются разработка и исследования мотодог. прооора зовании ¿т.-итгог.их и цифровых методов преобразования среднего и мгно венного скольжения и реализация конкретных устройств.

Выполнение диссертационной работы позволило получить следующие результаты:

1. Сравнительным анализом различных методов и устройств для контроля скольжения установлено, что наиболее перспективны, с точки зрони$ достижения требуемой точности и быстродействия, скользиметры с импуль-' сными датчиками скорости.

2. С целью повышения точности аналоговых скользиметров среднего значения предложено использовать в них преобразователи частот в напряжение с опорным генератором. Проведен анализ статических и динамических характеристик таких скользиметров, предложена структурная оптимизация этих характеристик.

3. Предложены, разработаны и исследованы две структуры цифровых скользиметров среднего значения - с фиксированным интервалом измерения и следящего типа. Проанализированы погрешности этих структур, предложен метод повышения быстродействия цифрового скользиметра с фиксированным интервалом измерения.

4. Предложен, разработан и исследован быстродействующий цифровой скользиметр с фиксацией выходного кода. Выявлены две оптимальные частоты его настройки - по быстродействию и точности, доказана большая эффективность первой из них.

5. Показано, что повышение, точности скользиметров ССП мгновенного значения обеспечивается введением адаптивного смещения сравниваемых периодов.

6. Для повышения быстродействия аналоговых скользиметров мгновенного значения предложено строить их по двухканальной структуре в статическом и астатическом вариантах. Показано, что наиболее эффективна астатическая структура с коррекцией по текущему значению.

'/.Анализом временных алгоритмов формирования разностного кода в цифровых скользиметрах мгновенного значения показано, что оптимальным по динамическим свойствам при циклическом измерении является алгоритм с произвольным порядком следования выделяемых периодов, и алгоритм со случайным циклом для следящего способа.

8. Разработанные алгоритмы и устройства нашли применение на предприятиях г. Москвы, Киева, Еревана, Ново-Каховска, Смоленска.

- 1Я -

Оонокные положения диссертации опубликованы в научных работах

I. fi.г.. MVJW/A. СССР МКИ3 M 0?. F ''/Л?.. Яалатчик частоты папряж<'ни i управления инвертором для асинхронного алектропривида/ Л.М.Кона/и-и. В. Г. Кул икон, В. В. Круглов.Ю.И.Пучков//Открытия. Изобретения. 1988. N.43.

A.С. 1Î5118:-«. СССР МКИ3 H 02 Р 7/42. Устройство для управления асинхронным электродвигателем с частотным управлением/ А.М.Ковалев,

B.Г.Куликов,В.В.Круглой,В.С.Горь ков//Открытия.Изобретен ия.198у.N30. Ковалев A.M., Круглов В.В., Горьков B.C., Прохоренкова А.Т. Умножитель частоты следования импульсов // Изп. вузов - Приборостроение. 1991. N3. С.49-53.

1. А.С. N765740 СССР МКИ3 6 01 R 23/09. Преобразователь относительной

разности частот/ А. М. Ковалев//0ткрытия. Изобретения. 1980. N3,'j. >. Ковалев A.M. Быстродействующий аналого-цифровой скользиметр // Измерительная техника. 1979. N9 С.58-60.

Ковалев A.M., Пучков Ю.И. Быстродействующие измерительные преобразователи с двойной коррекцией по текущему значению входного сигнала// Изв. вузов. Приборостроение. 1972. N12. С.34-41. . Ковалев A.M. Быстродействующий одноканальный умножитель частоты/

Изв. вузов. Приборостроение. 1978. N7. С.41-44. . Ковалев A.M. Барьюдин Э.Л. Быстродействующий аналоговый скользиметр

// Электронная техника в автоматике. 1978. Вып.10. С.87-92. . А.С. 752183 СССР МКИ3 H 03 К 13/20. Преобразователь относительной разности частот импульсов в постоянное напряжение/ А.М.Ковалев, Э.Л.Барьюдин //Открытия. Изобретения. 1980. N2. D.A.C. 666475 СССР МКИ3 6 01 Р 3/56. Скользиметр/ А.М.Ковалев //Открытия. Изобретения. 1979. N21.

1.А.С. 758177 СССР МКИ3 G 06 6 7/12. Устройство для вычисления относительной разности двух напряжений постоянного тока /А.М.Ковалев, Ю.И.Пучков.П.А.Прохоренков //Открытия. Изобретения. 1980. N31.

2.А.С. 754436 СССР МКИ3 6 Об G 7/12. Устройство для вычисления отношения периодов импульсных напряжений/ А.М.Ковалев //Открытия. Изобретения. 1980. N29.

¡.Ковалев A.M. Цифро-аналоговый измеритель скольжения электрических машин// Изв. вузов - Приборостроение. 1978. N2. С.33-36. .Ковалев A.M. Цифро-аналоговый измеритель скольжения электрических машин// Изв. вузов - Приборостроение. 1978. N2. С.33-36. .Самокорректирующийся преобразователь относительной разности частот в цифру/ A.M.Ковалев,В.В.Круглов//Структурные методы повышения точ-

ности. быстродействия и чувствительности измерительных устрой- т Теп. докл. IV-ой Рсснубл. науч.-техн. конФ. Ужгород. 1980. С.41 !

1П.Законы распределении сумм независимых, равномерно распр-деле^н случайных величин с. произвольными дисперсиями/ Л.М.Ковалев// 11ч> пективы и опыт внедрения статистических методов в AC.VT Тез.докл.1-ой Всесоюзн. научн,- техн. конф. Москва. 1981. С.Р4-хь

17.А.С. 3806259 СССР МКИ3 S 06 G 7/161. Перемножающее устройства

A.М.Ковалев, В.В.Круглов // Открытия. Изобретения. 1985. N4. I

18.А.С. 1228032 СССР МКИ3 G 06 6 7/16. Преобразователь относителык разности частот / А.М.Ковалев, В.В.Круглов //Открытия. Изобретена 1986. N16.

19.А.С. 3803969 СССР МКИ3 H 03 В 19/00.Умножитель частоты/А.М.Ков. лев, В.В.Круглов, Н.П.Прокуденков//Открытия. Изобретения.1985. N9

20.А.С. 1251282 СССР МКИ3 H 02 Р 7/42. Устройство для измерения скол жения электрических машин/ А.М.Ковалев, В.В.Круглов, Н.П.Прокуде ков //Открытия. Изобретения. 1986. N30.

21.А.С. 1254389 СССР МКИ3 G 01 Р 3/48. Измерительный преобраэовате, угловой скорости/ А.М.Ковалев, П.А.Прохоренков //Открытия. Изобр тенил. 1986. N32.

22.А.С. 4288888 СССР МКИ3 H 02 Р 7/42. Устройство для измерения скол жения электрической машины/ А.М.Ковалев, В.В.Круглов //Открыт Изобретения. 1987. N5.

23.А.С. 3958581 СССР МКИ3 G 06 G 7/16. Устройство для вычисления отн сительной разности частот импульсных напряжений/ A.M.Ковале

B.В.Круглов //Открытия. Изобретения. 1986. N21.

24.Ковалев A.M., Круглов В.В. Анализ статических и динамических хара теристик одного следящего способа цифрового измерения относительн разности частот // Изв.вузов - Приборостроение. 1986. N8. С.45-47.

25.Ковалев A.M., Круглов В.В.. Пучков Ю.И., Прокуденков Н.П. Диффере! циальный сглаживающий фильтр // Изв.вузов - Приборостроение. 1987. N3. С.43-45.

26.А.С. 663056 СССР!МКИЭ H 02 Р 7/42. Устройство для измерения скол: жения электрических машин/ М.Б.Лейтман, А.М.Ковалев //Открыта; Изобретения. 1979.-N18.

Печ ДГ" Тираж Ш Заказ Я SO

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.