RU2284600C2

RU2284600C2 - Method for controlling high-speed electromagnet

Info

Publication number: RU2284600C2
Application number: RU2004132820/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Валентинович Павленко (RU); Александр Валентинович Павленко; Валерий Петрович Гринченков (RU); Валерий Петрович Гринченков; ев Николай Петрович Бел (RU); Николай Петрович Беляев; Андрей Александрович Постников (RU); Андрей Александрович Постников; Андрей Артурович Гуммель (RU); Андрей Артурович Гуммель
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-09-27
Also published as: RU2004132820A

Abstract

FIELD: electrical engineering; controlling electromagnetic drives of various devices.

SUBSTANCE: proposed method for controlling high-speed electromagnet includes generation of pulse-width modulated voltage pulses supplied to electromagnet and control of armature speed, voltage pulses being bipolar.

EFFECT: provision for shock-free connection of electromagnet.

1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления быстродействующими электромагнитными приводами различных устройств для улучшения их динамических характеристик.The invention relates to electrical engineering and can be used to control high-speed electromagnetic drives of various devices to improve their dynamic characteristics.

Известен способ управления электромагнитным приводом вибрационного движения, где в качестве источника питания постоянного тока используют блок питания постоянного тока в виде источника питания постоянного тока ограниченной мощности и накопителя энергии, перед подключением силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют накопление энергии посредством накопителя энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, а повторное подключение силовой обмотки электромагнита к блоку питания после перемещения рабочего органа в обратном направлении осуществляют при уровне энергии, накопленной в накопителе энергии, обеспечивающей перемещение рабочего органа (патент №2147941, Россия, 2000 г.).A known method of controlling an electromagnetic drive of vibrational motion, where a DC power supply is used as a DC power supply of limited power and an energy storage device, before connecting the power winding of the electromagnet to the power supply unit, energy is stored by means of an energy storage device to a level corresponding to the impulse of the force of the electromagnet and providing a specified number of working cycles of the working body, and repeated under for prison electromagnet winding to the power supply unit after moving the working member in the reverse direction is performed at an energy level stored in the energy storage device, providing movement of the operating body (patent №2147941, Russia, 2000 YG).

Недостатком данного способа является то, что регулируется только энергия ударного импульса, а не закон перемещения якоря электромагнита, а также невозможность обеспечить безударное включение электромагнита и контролировать закон его движения.The disadvantage of this method is that it regulates only the energy of the shock pulse, and not the law of movement of the armature of the electromagnet, as well as the inability to ensure shock-free inclusion of the electromagnet and to control the law of its movement.

Известен способ управления электромагнитом, когда для регулирования закона движения якоря в течение времени форсировки на обмотку электромагнита подается постоянное во времени напряжение источника, а по истечении этого времени напряжение подается лишь периодически с определенной частотой, т.е. импульсы напряжения, питающего электромагнит, широтно-модулированные («Электрические аппараты» Межвуз. сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чувашского ун-та, 1998, 299 с).There is a known method for controlling an electromagnet when, to regulate the law of movement of the armature during the boost time, a constant voltage of the source is applied to the electromagnet winding, and after this time the voltage is applied only periodically with a certain frequency, i.e. voltage pulses supplying an electromagnet, pulse-width modulated ("Electrical Appliances" of the Interuniversity collection of scientific scientific papers of Cheboksary: Publishing House of Chuvash University, 1998, 299 s).

Недостатком данного способа является невозможность формирования требуемого в некоторых случаях закона изменения тока (а значит, и магнитодвижущей силы), т.к. постоянная времени обмотки не позволяет обеспечить нужную скорость уменьшения тока.The disadvantage of this method is the inability to form the required in some cases, the law of current change (and hence the magnetomotive force), because the time constant of the winding does not allow to provide the desired rate of current reduction.

Задачей данного изобретения является формирование заданного закона изменения тока в катушке, необходимого для обеспечения безударного срабатывания электромагнита, при сохранении требуемых динамических характеристик устройства.The objective of the invention is the formation of a given law of change in current in the coil, necessary to ensure shockless operation of the electromagnet, while maintaining the required dynamic characteristics of the device.

Поставленная задача решается с помощью заявленного способа управления быстродействующим электромагнитом, включающего формирование широтно-модулированных импульсов напряжения, подаваемых на электромагнит, и регулирование скорости движения якоря, при этом импульсы напряжения двухполярные, а для обеспечения закона движения с минимальной скоростью в конце хода якоря используется закон изменения магнитодвижущей силы обмотки во времени (F(t)), который формируется системой управления методом широтно-импульсной модуляции напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита путем вычитания противодействующей характеристики, действующей на якорь электромагнита, из расчетной силовой характеристики, необходимой для обеспечения заданного закона движения якоря, и затем последующим восстановлением из полученной разности и статических тяговых характеристик электромагнита необходимой зависимости для магнитодвижущей силы (F(t)).The problem is solved using the claimed method of controlling a high-speed electromagnet, including the formation of a pulse-width modulated voltage pulse supplied to the electromagnet, and adjusting the speed of the armature, while the voltage pulses are bipolar, and the law of change is used to ensure the law of motion with a minimum speed at the end of the armature magnetomotive force of the winding in time (F (t)), which is formed by the control system by the method of pulse-width modulation of voltage, applying of the electromagnet winding by subtracting the opposing characteristic acting on the armature of the electromagnet from the calculated power characteristic necessary to ensure the given law of motion of the armature, and then restoring the necessary dependence for the magnetomotive force from the resulting difference and static traction characteristics of the electromagnet (F (t)) .

Способ осуществляется следующим образом: на обмотку электромагнита подаются широтно-модулированные импульсы напряжения, длительность и полярность которых меняется таким образом, чтобы обеспечить изменение магнитодвижущей силы обмотки (F) во времени по заданному закону, т.е. нарастание F достигается увеличением ширины подаваемого импульса, а снижение - увеличением паузы между импульсами или изменением полярности напряжения, подаваемого на обмотку, на противоположную. Структурно-функциональная схема устройства управления, реализующего данный способ управления, представлена на фиг.1, на котором: МК - микроконтроллер, формирующий сигнал управления, СБ - силовой блок, к которому подключена непосредственно обмотка электромагнита, ЭМ - управляемый электромагнит.The method is as follows: the pulse-width modulated voltage pulses are fed to the electromagnet winding, the duration and polarity of which are varied in such a way as to provide a change in the magnetomotive force of the winding (F) in time according to a given law, i.e. an increase in F is achieved by increasing the width of the supplied pulse, and a decrease by increasing the pause between pulses or by reversing the polarity of the voltage supplied to the winding. The structural and functional diagram of a control device that implements this control method is shown in Fig. 1, in which: MK is a microcontroller that generates a control signal, SB is a power unit to which an electromagnet winding is directly connected, EM is a controlled electromagnet.

Для требуемого закона перемещения якоря электромагнита во времени (x(t)) и связанного с ним исполнительного механизма можно теоретически рассчитать необходимый закон изменения действующей силы от перемещения (Р(х)). Вычитая из последней зависимость противодействующего усилия от перемещения (Р_пр(х)) исполнительного механизма, получим расчетную зависимость электромагнитной силы, которую должен обеспечить электромагнит. Зная семейство зависимостей электромагнитного усилия от перемещения и магнитодвижущей силы (Р_эм(х, F)), по фиксированным значениям Р_эм(х, F) и x(t) можно определить необходимую характеристику изменения МДС обмотки от времени.For the required law of movement of the armature of the electromagnet in time (x (t)) and the associated actuator, it is possible to theoretically calculate the necessary law of change of the acting force from the displacement (P (x)). Subtracting from the latter the dependence of the opposing force on the displacement (P _ol (x)) of the actuator, we obtain the calculated dependence of the electromagnetic force, which the electromagnet must provide. Knowing the family of dependences of the electromagnetic force on displacement and the magnetomotive force (P _em (x, F)), using the fixed values of P _em (x, F) and x (t), we can determine the necessary characteristic of the change in the winding of the windings over time.

Для быстродействующих электромагнитов с внешним вращающимся якорем закон изменения МДС обмотки определяется аналогично. При этом перемещение якоря во времени определяется углом поворота φ(t), а силовые характеристики задаются соответствующими моментами М_эм(φ, F) и М_пр(φ), действующими на якорь.For high-speed electromagnets with an external rotating armature, the law of change of the winding MDS is determined similarly. In this case, the movement of the anchor in time is determined by the angle of rotation φ (t), and the force characteristics are set by the corresponding moments M _em (φ, F) and M _CR (φ) acting on the anchor.

Рассмотрим на примере ЭМ (фиг.2) алгоритм определения необходимой зависимости для магнитодвижущей силы обмотки управления. Пусть электромагнит должен обеспечивать время срабатывания не более 2 мс, при этом скорость якоря в конце хода не должна превышать 0,02 рад/мс. Общий момент инерции якоря и подвижных частей исполнительного механизма составляет 2,1 г·см², а характеристика противодействующего момента М_пр(φ) представлена на фиг.3 пунктирной линией.Consider the example of an EM (figure 2) algorithm for determining the necessary dependence for the magnetomotive force of the control winding. Let the electromagnet should provide a response time of no more than 2 ms, while the speed of the armature at the end of the stroke should not exceed 0.02 rad / ms. The total moment of inertia of the armature and the moving parts of the actuator is 2.1 g · cm ² , and the characteristic of the opposing moment M _CR (φ) is shown in Fig. 3 by a dashed line.

Семейство статических тяговых характеристик электромагнита М_эм(φ,F), представленных в виде зависимостей момента от МДС обмотки для различных углов поворота якоря φ, представлено на фиг.4.A family of static traction characteristics of the electromagnet M _em (φ, F), presented in the form of dependences of the moment on the MDS winding for various angles of rotation of the armature φ, is shown in Fig.4.

Расчетная характеристика момента, действующего на якорь М(φ) и обеспечивающая необходимый закон перемещения последнего φ(t), приведена на фиг.3 сплошной линией. Вычитая из характеристики М(φ) зависимость М_пр(φ), получим расчетную зависимость электромагнитного момента М_эм(φ), которую должен обеспечить электромагнит (фиг.5).The calculated characteristic of the moment acting on the anchor M (φ) and providing the necessary law of movement of the last φ (t) is shown in Fig. 3 by a solid line. Subtracting from the characteristic M (φ) the dependence of M _pr (φ), we obtain the calculated dependence of the electromagnetic moment M _em (φ), which should provide the electromagnet (figure 5).

Таким образом, в каждый момент времени t известны значения М_эм(φ) и φ(t), следовательно, по этим значениям из зависимости М_эм(φ,F) можно восстановить необходимый закон изменения МДС обмотки F(t). Вид полученной таким образом зависимости F(t) для быстродействующего электромагнита фиг.2 представлен на фиг.6. Временные зависимости угла поворота якоря φ(t) и его угловой скорости

показаны на фиг.7.Thus, at each moment of time t, the values of M _em (φ) and φ (t) are known, therefore, from these values, from the dependence of M _em (φ, F), the necessary law of the change in the magnetoresistance of the winding F (t) can be restored. The thus obtained dependence F (t) for the high-speed electromagnet of FIG. 2 is presented in FIG. 6. Time dependences of the angle of rotation of the armature φ (t) and its angular velocity

shown in Fig.7.

Система управления электромагнитом формирует последовательность широтно-модулированных импульсов напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита так, чтобы обеспечить изменение МДС обмотки согласно полученной зависимости F(t).The electromagnet control system generates a sequence of pulse-width-modulated voltage pulses supplied to the electromagnet winding so as to ensure a change in the winding MDS according to the obtained dependence F (t).

Claims

A method for controlling a high-speed electromagnet, including generating a pulse-width modulated voltage pulse supplied to the electromagnet, and adjusting the speed of the armature, characterized in that the voltage pulse is bipolar.