RU1823082C - Способ управлени вентильным электродвигателем и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: в системах управлени  антеннами и другими тихоходными обмотками . Сущность: в способе управлени  при изменении тока в фазе  корной обмотки синхронной машины измен ют и фазу тока пропорционально разности между измеренным угловым положением нагрузки и заданным его значением. 1 с.п. ф-лы. 9 ил. е

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и предназначено дл  использовани  в электроприводах различного назначени , с плавным регулированием и реверсом, например , в системах управлени  антеннами, а также другими тихоходными объектами.

Цель изобретени  - повышение качества управлени  вентильным двигателем.

На фиг. 1 и 2 приведены векторные диаграммы , по сн ющие сущность способа управлени ; на фиг. 3 - структурна  схема безредукторного моментного электропривода след щей системы, на фиг. 4 - примеры выполнени  модул торов; на фиг. 5 - пример выполнени  многофазного синхрогене- ратора; на фиг. 6 - пример выполнени  демодул тора и апериодического звена; на фиг. 7-9 - представлены временные диаграммы , по сн ющие работу элементов.

Сущность способа рассмотрим на примере управлени  вентильным двигателем на базе двухфазной машины (СМ) применительно к безредукторному приводу след щей системы по положению. Как и в прототипе, при по влении рассогласовани  формируют токи в синусной обмотке СМ, пропорциональные произведению угла рассогласовани  Л0системы на синус угла р, а в косинусной обмотке - произведению на косинус угла р между вектором мдс ротора Fp и положительным направлением вектора мдс РСИН синусной обмотки CM (NCMH, NKOC направление положительной мдс синусной и косинусной обмоток СМ). Токи обмоток СМ образуют суммарное магнитное поле статора, вектор которого (вектор управлени  Fy) имеет, модуль пропорциональ00

ю со

о

00

го

ный ДО, и повернут на 90 электрических градусов относительно Fp в сторону согласованного положени  выходного вала. Магнитное взаимодействие векторов Fp и Fy создает вращающий момент, который раз- йорачивает вал в сторону согласованного положени  и по мере уменьшени  рассогласовани  Л# модуль Fy уменьшаетс . При нулевом значении Д модуль Fy равен нулю, но система приходит к согласованному положению с некоторой скоростью и за счет кинетической энергии вращающихс  масс возникает рассогласование противоположного знака, которое отрабатываетс  таким же образом в другую сторону и т.д. При таком способе управлени  без дополнительных токов система получаетс  колебательной . Теперь рассмотрим отдельно действие дополнительных токов без учета рассогласовани . Дополнительные токи формируют таким образом: в синусной обмотке СМ - пропорциональные задержанному значению косинуса угла р. а в косинусной обмотке - синуса угла р. Формирование задержанных значений осуществл ют передачей сигналов, пропорциональных синусу и косинусу угла р каждый через свои (одинаковые) апериодические звень  первого (или второго и более пор дка). Дополнительные токи образуют дополнительный вектор мдс статора Ед, который при неподвижном роторе совпадает с вектором Fp и никакого вли ни  на ротор не оказывает . Если внешней силой повернуть вал СМ на небольшой угол, то вектор Рд в первый момент останетс  на месте прежнего положени  Fp, тогда между Рди новым вектором Fp возникнет магнитное взаимодействие FM, фиг. 16, которое будет стремитьс  вернуть ротор в прежнее положение. Если внешнюю силу, удерживающую вал в новом положении, сн ть, то FM повернет ротор обратно в сторону его прежнего положени  до совпадени  векторов Рд и Fp, а если продолжать удерживать вал в новом положении, вектор Ед будет экспоненциально приближатьс  к Fp до их совмещени , так как дополнительные токи будут экспоненциально приближатьс  к новым значени м, пропорциональным синусу и косинусу нового значени  угла р. Таким образом, вал СМ сопротивл етс  движению, нав занному извне, то есть возмущени м, например, ветровой нагрузке антенны. При вращении двигател  с посто нной скоростью вектор Рд будет отставать от вектора Fp на некоторый угол, определенный инерционностью апериодических звеньев, формирующих задержанные значени  синуса и косинуса угла

5

у, и тем больший, чем больше скорость вращени , тем больше становитс  их взаимодействие - вектор FM При одновременном действии основных и дополнительных токов

происходит следующее: при большом рассогласовании |Fy| значительно превышает |FMI и ротор поворачиваетс  вращающим моментом МВр в сторону согласованного положени  фиг. 2а. По мере уменьшени  рассогласовани  Д$ уменьшаетс  и Fy, и наступает момент равенства модулей Fy и Ед. Тогда магнитного воздействи  на ротор нет и вал продолжает поворачиватьс  за счет кинетической энергии фиг 26. Далее

5 уже IFy| |FMI и дополнительный вектор пол  статора Рд моментом МВр уже сдерживает движение ротора фиг. 2в. Причем, скорость движени  ш снижаетс  и FM уменьшаетс , также уменьшаетс  Д$и Fy, и ротор

0 плавно подходит к согласованному положению . Таким образом, достигаетс  бесколебательный переходный процесс и плавное отслеживание задани .

Безредукторпый моментный электропривод , в качестве устройства дл  управлени  вентильным электродвигателем (фиг. 3), содержит установленные на одном валу 1 - полезную нагрузку 2, синхронную машину (СМ), включающую ротор с посто нными

0 магнитами 3, вращающий трансформатор (ВТ), служащий датчиком положени  ротора (ДПР), ротор 4 которого предназначен дл  установки на вал вентильного электродвигател  со сдвигом на 90 эл. град, относительно

5 рогора СМ, датчик угла положени  вала 5; задатчик углового положени  полезной нагрузки 6, который вместе с датчиком 5 подключены к входам элемента сравнени  7, выход которого соединен со входом первого

0 модул тора 8, выходом подключенного к одному входу усилител  9, с выходом которого соединена обмотка возбуждени  10 ВТ, синусна  13 и косинусна  18 выходные обмотки которого подключены соответственно к

5 входам первого 14 и второго 19 демодул тора , первый 16 и второй 21 усилител  мощности дл  подключени  к соответствующим фазным обмоткам 17 и 22 синхрон ной машины , синхрогенератор 27, выходы которого

0 соединены с управл ющими входами модул тора и демодул торов; последовательно соединенные между собой задатчик IOKOB 12 и второй модул тор 11, выходом соединенный с дополнительным входом усилите5 л  9, третий 23 и четвертый 25 демодул торы, входами соединенные соответственно с синусной 13 и косинусной 18 обмотками ВТ, два двухвходовых сумматора 15 и 20 и два апериодических звена 24, 26,

одно из которых - 26 включено между входом четвертого демодул тора 25 и первым входом первого сумматора 15, другое апериодическое звено 24 включено между выходом третьего демодул тора 23 и первым входом второго сумматора 20, вторые входы сумматоров 15 и 20 соединены соответственно с выходами первого и второго демодул торов 14 и 19, а выходы с входами первого 16 и второго 21 усилителей мощности , управл ющие входы второго модул тора 11 и третьего и четвертого демодул торов 23 и 25 подключены к дополнительным выходам синхрогенератора 27.

Задатчики 6 и 12, а также датчик 5 - могут быть выполнены на потенциометрах, выходами которых  вл ютс  подвижные контакты, а их крайние выводы подключены к источнику напр жени . В реальных системах совокупность элементов 5, 6, 7 может  вл тьс  блоком формировани  сигнала рассогласовани  28, например, оптико- электронный координатор наведени  (Е.Г.Лебедько и др. Теори  и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем . Л., Машиностроение 1984, стр. 9, рис. 1.6). Каждый модул тор 8 и 11 состоит из двух ключей 29, выходы которых соединены со входами дифференциального усилител 

30,а его выход подключен ко входу усилител  9. Синхрогенератор 27 (фиг. 5) состоит из последовательно соединенных генератора непрерывной последовательности импульсов 35, счетчика 36 и дешифратора 37, разрешающий вход которого подключен к генератору 35. Выходы дешифраторов Хо, XL X2, Хз соединены управл ющими входами ключей 29 модул торов - соединени ми

31,32, 33, 34. Каждый демодул тор состоит из инвертора 38 с коэффициентом передачи , равным единице, двух ключей 39, буферного усилител  40 с запоминающим конденсатором 45, а управл ющие входы

ключей соединены с выходами Yo, Yi, Y2, Уз дешифратора 37 соединени ми 41, 42, 43, 44. Апериодическое звено (фиг. 6) содержит операционный усилитель 46 и обратную св зь в виде потенциометра 48, буферного усилител  47 и конденсатора 49.

Ключи 29 и 39 могут быть выполнены на микросхемах К 590КН8 (В.С.Путников Интегральна  электроника в измерительных устройствах, Энергоатомиздат, 1988, стр. 223-225), генератор 25 - на К 155ПГЗ, счетчик 36 и дешифратор 37 на элементах К 155ИЕ5, К 155ИД4 соответственно, буферный усилитель 40 с высоким входным сопротивлением на К 140УД8. все прочие усилители на операционных усилител х общего применени , например К 140УД6, К

140УД7 (А.Г.Алексеенко и др Применение прецизионных аналоговых ИС. М , Радио и св зь, 1981, стр. 77, рис. 3 № 3 2)

Привод работает следующим образом 5 Элемент сравнени  7 формирует напр жение , пропорциональное разности задани  угла положени  и элемента 6 и фактического угла положени  вала от датчика 5, то есть пропорциональное угловому рассогласова0 нию Д0, которое поступает на модул тор 8. Напр жение от задатчика токов 12, пропорциональное I Рд I, поступает на модул тор 11. Счетчик 36 считает импульсы, поступающие от генератора непрерывной последова5 тельности импульсов 35, и управл ет адресными входами дешифратора 37. который формирует импульсы поочередно на своих выходах Хо Xi, X2, Хз как показано на фиг. 76, в, г, д соответственно, которые по0  вл ютс  во врем  импульсов на входе Ех дешифратора 37 фиг. 8а. Через соединени  соответственно 31, 32, 33, 34 дешифратор поочередно открывает ключи 29 модул торов 8 и 11, и на выходе усилител  30 моду5 л тора 8 образуютс  знакопеременные импульсы, пропорциональные заданному значению дополнительных токов фиг. 7ж. Усилитель 9 суммирует импульсы с выходов модул торов 8 и 11 и подает в обмотку воз0 буждени  ВТ 10, фиг. 7з, при этом сигналы рассогласовани  и дополнительных токов разнесены во времени и следуют поочередно , что дает возможность далее их различить . Посто нный вектор дополнительного

5 вектора |Рд| и линейно-измен ющеес  значение Д# на фиг. 7а даны в качестве примера дл  нагл дности соответстви  диаграмм 7е, ж, з. Напр жени , наводимые во вторичных обмотках ВТ, пропорциональны

0 напр жению возбуждени  в обмотках 10, умноженному на синус угла р в обмотке 13 и косинус угла р в обмотке 18, где р - угол между вектором мдс ротора и положительным значением направлени  мдс синусной

5 обмотки 17, дл  чего роторы СМ и ВТ соответственно сориентированы. В качестве примера на фиг. 9 показана диаграмма на - одной, скажем синусной обмотке ВТ 13, причем импульсы с линейно-измен ющей0 с  амплитудой - по рассогласованию, а со скачкообразным изменением - дополнительные . Выходы дешифратора Yo, Yi, Y2, Уз стробируютс  импульсами Ех & Еу, фиг. 86, поэтому импульсы серии Y короче импуль5 сов серии X и по времени внутри их, фиг. 96, в, г, д соответственно. Через соединени  41, 42, 43, 44 они поочередно замыкают ключи 39 демодул торов 14 и 23, соединенных с обмоткой 13. а также ключи 39 демодул торов 19 и 25, соединенных обмоткой 18. Инверторы 38 обеспечивают однопол рные импульсы на выходах ключей 39, а конденсатор 45 запоминает значени  амплитуд им- пульсов на врем  закрытого состо ни  ключей 39.-Таким образом, на выходах буферных усилителей 40 формируютс  непрерывные напр жени , причем на выходе демодул тора 14, пропорциональное рассогласованию Д0и синусу угла р, на выходе демодул тора 23, пропорциональное РД| и синусу р, на выходе демодул тора 19, пропорциональное Д0и косинусу р, на выходе демодул тора 25 пропорциональное |РД| и косинусу р. На фиг. 9е показано напр жение на выходе демодул тора 14, на фиг. 9ж - на выходе демодул тора 23, соответствующие сигналу обмотки 13 фиг. 9а. С выхода демодул тора 23 или 25 напр жение поступает на апериодическое звено 24 или 26 соответственно, осуществл ющее задержку во времени как показано на фиг. 9з, величину задержки в котором можно устанавливать резистором 48. Напр жени  демодул тора 14 и звена 26 суммируютс  на сумматоре 15, сумма усиливаетс  усилителем мощности 16 и поступает в синусную обмотку СМ 17, то есть в обмотке 17 формируетс  ток, равный сумме основного тока, пропорционального рассогласованию и синусу угла р, и дополнительного тока, пропорционального значению угла f, задержанного элементом 26. Аналогично суммированием выходных напр жений элементов 19 и 24 через 20 и 21 формируетс  ток косинусной обмотки 22, пропорциональный сумме произведений рассогласовани  на косинус р и задержанного значени  синуса угла р. Модуль вектора Рд можно устанавливать задатчиком 12.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие достоинства по сравнению с известными. Действие дополнительного вектора мдс Рд пол  статора сходно с действием в зкого демпфера (закрепленного на валу тела вращени , помещенного в объем с жидкостью высокой в зкости), либо воздушного или жидкого демпфера в виде поршн  и камеры с дроссельным элементом , см. например, однако свойства таких демпферов заданы один раз конструктивно и трудно варьируемы. В предлагаемом решении демпфирующие свойства можно измен ть в широких пределах заданием модул  вектора Рд и посто нной времени задержки. При выполнении целевой функции привода требуютс  дополнительные затраты энергии, дл  преодолени  демпфера, однако такой электромагнитный демпфер

хорошо поглощает энергию свободного движени  системы и, как вс кий демпфер, уменьшает электромеханическую посто нную времени системы, что благопри тно

сказываетс  на точность отработки задани  и на динамику, особенно астатических систем . Так как вентильный двигатель есть совокупность синхронной машины, ДПР, ВТ и усилительно-преобразовательного устройства (УПУ), демпфирование осуществл етс  формированием дополнительных токов внутри УПУ, то есть внутри двигател , и не требует введени  внешних св зей и элементов типа тахогенераторов и т.п. Все эти

факторы повышают качество управлени  системой при сравнительной простоте и небольших аппаратных затратах на осуществление .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   1,Способ управлени  вентильным электродвигателем, жестко св занным с полезной нагрузкой и выполненным на базе синхронной машины, при котором подают ток в фазы  корной обмотки вентильного электродвигател , измер ют угловое положение ротора электродвигател , сравнивают его с заданным значением и измен ют ток в каждой фазе  корной обмотки в зависимости от полученной разности по гармоническому закону, отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества путем уменьшени  перерегулировани , измер ют угловое положение нагоузки , сравнивают с заданным значением и измен ют фазу тока в каждой фазе  корной обмотки пропорционально полученной разности.

   2,Устройство дл  управлени  вентиль- ным электродвигателем, «естко св занным

   с полезной нагрузкой и выполненным на базе синхронной машины, содержащее вращающийс  трансформатор, ротор которого предназначен дл  установки на вал

   вентильного электродвигател  со сдвигом на 90 эл. град, относительно ротора синхронной машины, задатчик и датчик углового положени  полезной нагрузки, подключенные к входам элемента сравнени , выход

   которого соединен с входом первого модул тора , выходом подключенного к одному входу усилител , с выходом которого соединена обмотка возбуждени  вращающегос  трансформатора, синусна  и косинусна 

   выходные обмотки которого подключены соответственно к входам первого и второго демодул торов, первый и второй усилители мощности дл  подключени  к соответствующим фазным обмоткам синхронной маши- ны, синхрогенератор, выходы которого

   соединены с управл ющими входами модул тора и демодул торов, отличающее- с   тем. что, с целью повышени  качества путем уменьшени  перерегулировани ; введены последовательно соединенные задат- чик токов и второй модул тор, выходом соединенный с дополнительным входом усилител , третий и четвертый демодул торы , входами соединенные соответственно с синусной и косинусной выходными обмотками вращающегос  трансформатора, два двухвходовых сумматора и два апериодических звена, одно из которых включено меж-.

   0

   ду выходом четвертого демодул тора и пер вым входом первого сумматора, второе апе риодическое звено - между выходом третьего демодул тора и первым входом второго сумматора, вторые входы первого и второго сумматоров соединены соответственно с выходами первого и второго демодул торов , а выходы - с входами первого и второго усилителей мощности, управл ющие входы второго модул тора и третьего и четвертого демодул торов подключены к дополнительным выходам синхрогенерато- ра.

   froe -л-Оссъ V.

   fxoc - /fff/4m VL

   .CO2/toto&r«voe ю омге#Ј/е

   f/euff

   У

   kW

   11

   fcw/fiy/еолР

   fet/#

   Фпг. 1,6

   U

   ft

   V/

   сСПГ

   ег

   d«W

   Л7У

   /V

   о.

   II

   ZI

   гвок п

   ЗЙ

   с29

   ,&

   If II

   Фиг. 4

   Фиг. 5

   38

   41

   V -1--J .„ #

   43--

   13/18/

   42

   38

   44.

   с39

   с39

   тг45

   ДК14Л9/

   40

   F

   ДН23/2

   5/

   А 24/26/

   Ф::г. 6

   В

   /V

   Фиг. 9