RU2410826C1

RU2410826C1 - Method to excite and control autoresonance vibrations in electric drive of swinging motion

Info

Publication number: RU2410826C1
Application number: RU2009128017/07A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Анатольевич Загривный (RU); Эдуард Анатольевич Загривный; Юрий Александрович Гаврилов (RU); Юрий Александрович Гаврилов
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-01-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering and may be used in systems of control of electric drives of swinging motion to excite resonant vibrations of working elements of vibratory machines and to maintain resonant mode with specified amplitude of vibrations with variation of technological load parameters and dynamic parameters of electromechanical system of vibratory machine. In method for excitation and control of autoresonance vibrations, speed of rotor vibrations is measured at each half-period of vibrations, and electric motor is supplied. At the moments of speed curve of rotor vibrations relative to stator transits through zero value, voltage is supplied to windings of electric motor to generate electromagnetic torque, which changes in a cophased manner with speed of rotor vibrations relative to stator. Specified value of rotor vibrations amplitude relative to stator is controlled through variation of supplied voltage with the help of negative feedback by amplitude value of vibrations speed on each half-period of oscillations. As a result, on each half-period of vibrations resonant phase ratios are provided between angle of vibrations, speed of rotor vibrations relative to stator and torque of electric motor. Electric drive of swinging motion may apply DC and AC motors (asynchronous and synchronous motors), electric motors with salient pole rotors and rotors of permanent magnets.

EFFECT: improved efficiency.

8 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний ротора относительно статора в электроприводе возвратно-вращательного (колебательного) движения с упругим элементом. Способ может быть использован в системах управления электроприводом возвратно-вращательного движения для возбуждения резонансных колебаний рабочих органов вибромашин и поддержания резонансного режима с заданной амплитудой колебаний при изменении параметров технологической нагрузки и динамических параметров электромеханической системы вибромашины.The invention relates to electrical engineering, and in particular to methods of exciting and regulating autoresonant oscillations of the rotor relative to the stator in an electric drive of a rotary (oscillatory) movement with an elastic element. The method can be used in control systems of the electric drive of the rotary motion to excite the resonant vibrations of the working bodies of the vibrator and maintain a resonant mode with a given amplitude of oscillations when changing the parameters of the process load and dynamic parameters of the electromechanical system of the vibrator.

Известен способ управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме колебательного движения (авторское свидетельство СССР №1415400, дата подачи заявки: 09.01.87, H02P 7/62), включающий питание фаз двигателя переменными токами одинаковой амплитуды и одной частоты со сдвигом по фазе, при этом указанный сдвиг токов по фазе поддерживается постоянным и равным π/2, ток одной фазы модулируют по амплитуде гармоническим напряжением, а ток другой фазы - выпрямленным гармоническим напряжением.A known method of controlling a two-phase asynchronous motor in the mode of oscillatory motion (USSR author's certificate No. 1415400, filing date: 09.01.87, H02P 7/62), including feeding the motor phases with alternating currents of the same amplitude and one frequency with a phase shift, wherein the phase shift of the currents is kept constant and equal to π / 2, the current of one phase is modulated in amplitude by the harmonic voltage, and the current of the other phase is modulated by the rectified harmonic voltage.

Недостатками известного способа являются отсутствие измерения параметров колебаний ротора относительно статора электродвигателя и формирования сигналов управления приводом. При этом не обеспечивается поддержание резонансного режима работы привода при изменениях параметров нагрузки и динамических параметров электромеханической системы. Кроме того, способ имеет ограниченные возможности для практического применения по причине использования двухфазного асинхронного электродвигателя, который значительно уступает трехфазному асинхронному электродвигателю по объемам применения.The disadvantages of this method are the lack of measurement of the oscillation parameters of the rotor relative to the stator of the electric motor and the formation of drive control signals. At the same time, the resonant mode of operation of the drive is not maintained during changes in the load parameters and dynamic parameters of the electromechanical system. In addition, the method has limited possibilities for practical use due to the use of a two-phase induction motor, which is significantly inferior to a three-phase asynchronous motor in terms of application.

Известен способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний (патент РФ №2025890, дата подачи заявки: 28.11.91, H02P 7/00), включающий питание одной из обмоток статора постоянным током, а другой - переменным, при этом измеряют переменные напряжения и ток второй обмотки, по которым оценивают отклонение режима от резонанса, и устанавливают величину постоянного тока в первой обмотке такой, при которой электрические колебания во второй обмотке находятся в резонансном режиме.A known method of controlling a synchronous motor in oscillation mode (RF patent No. 2025890, filing date: 28.11.91, H02P 7/00), including supplying one of the stator windings with direct current, and the other with alternating current, while alternating voltages and second current are measured windings, by which the deviation of the mode from the resonance is estimated, and the direct current value in the first winding is set such that the electric oscillations in the second winding are in the resonant mode.

Недостатками способа являются отсутствие измерения параметров колебаний ротора относительно статора электродвигателя и формирования сигналов управления приводом, что не позволяет получить необходимые резонансные фазовые соотношения в электромеханической системе при (изменении динамических параметров электромеханической системы (коэффициента жесткости упругих элементов, момента инерции подвижных частей) и параметров нагрузки. Способ имеет ограниченные возможности для практического применения из-за узкого диапазона рабочих частот (1-10 Гц) по причине использования электрической пружины.The disadvantages of the method are the lack of measuring the parameters of the rotor oscillations relative to the stator of the electric motor and the formation of drive control signals, which does not allow to obtain the necessary resonant phase relations in the electromechanical system when (changing the dynamic parameters of the electromechanical system (stiffness coefficient of elastic elements, moment of inertia of moving parts) and load parameters. The method has limited possibilities for practical use due to the narrow range of working parts from (1-10 Hz) due to the use of an electric spring.

В качестве прототипа выбран способ управления колебательным электроприводом с асинхронным двигателем (авторское свидетельство СССР №1631689, дата подачи заявки: 13.02.89, H02P 7/62) и упругим элементом, соединенным с его валом, состоящий в том, что измеряют скорость вала двигателя и включают питание двигателя переменным током по результатам измерения скорости, при этом в каждом полупериоде колебаний сравнивают измеренную скорость с заданной величиной, двигатель питают до тех пор, пока его скорость превышает заданную величину, а затем отключают.As a prototype, a control method for an oscillatory electric drive with an induction motor (USSR author's certificate No. 1631689, application date: 02/13/89, H02P 7/62) and an elastic element connected to its shaft, consisting in measuring the speed of the motor shaft and turn on the engine power with alternating current according to the results of measuring the speed, while in each half-cycle of oscillations the measured speed is compared with a given value, the engine is powered until its speed exceeds a predetermined value, and then it is turned off.

Прототип имеет ограниченные возможности для практического применения по причине использования однофазного асинхронного электродвигателя, который значительно уступает трехфазному асинхронному электродвигателю по объемам применения. Известно, что КПД колебательного электропривода достигает максимального значения при резонансном режиме его работы. Однако в прототипе возбуждение колебаний на резонансной частоте электропривода и регулирование амплитуды колебаний при изменениях параметров нагрузки и динамических параметров электромеханической системы не предусматривается. Следовательно, недостатком прототипа является низкий КПД из-за отсутствия резонансной настройки и возможности регулирования амплитуды колебаний при изменении параметров нагрузки и динамических параметров электропривода.The prototype has limited possibilities for practical use due to the use of a single-phase asynchronous electric motor, which is significantly inferior to a three-phase asynchronous electric motor in terms of volume of application. It is known that the efficiency of an oscillatory electric drive reaches its maximum value in the resonant mode of its operation. However, in the prototype, the excitation of oscillations at the resonant frequency of the electric drive and the regulation of the amplitude of the oscillations with changes in load parameters and dynamic parameters of the electromechanical system is not provided. Therefore, the disadvantage of the prototype is the low efficiency due to the lack of resonant tuning and the ability to control the amplitude of the oscillations when changing the load parameters and dynamic parameters of the electric drive.

Технический результат изобретения заключается в повышении КПД электропривода возвратно-вращательного движения, инвариантного к изменению параметров нагрузки и динамических параметров электромеханической системы, путем возбуждения и регулирования амплитуды авторезонансных колебаний.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the electric drive of the rotational motion, invariant to a change in the load parameters and the dynamic parameters of the electromechanical system, by exciting and regulating the amplitude of the autoresonant oscillations.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения, заключающемся в том, что на каждом полупериоде колебаний измеряют скорость колебаний ротора и питают электродвигатель, согласно изобретению в моменты времени перехода кривой скорости колебаний ротора относительно статора через нулевое значение на обмотки электродвигателя подают напряжение, формирующее электромагнитный момент, изменяющийся синфазно со скоростью колебаний ротора относительно статора, а заданное значение амплитуды колебаний ротора относительно статора регулируют изменением подводимого напряжения с помощью отрицательной обратной связи по амплитудному значению скорости колебаний на каждом полупериоде колебаний.The technical result of the invention is achieved by the fact that in the method of exciting and regulating autoresonance vibrations in the electric drive of the rotary motion, which consists in the fact that at each half-cycle of the oscillations, the rotor oscillation velocity is measured and the electric motor is fed, according to the invention, at the time of the transition of the rotor oscillation velocity curve relative to the stator through a zero value, voltage is applied to the motor windings, forming an electromagnetic moment that changes in phase with the speed rotor oscillations relative to the stator, and a given value of the amplitude of the rotor oscillations relative to the stator is controlled by changing the input voltage using negative feedback on the amplitude value of the oscillation speed at each half-period of oscillation.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-8, где на фиг.1 показана функциональная схема авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения, на основе которой реализуется предлагаемый способ, на фиг.2 - графики установившихся вынужденных колебаний на резонансной частоте, иллюстрирующие резонансные фазовые соотношения, на фиг.3-7 представлены результаты имитационного моделирования, а именно, на фиг.3 - осциллограммы авторезонансных колебаний при изменении электромагнитного момента по синусоидальному закону, на фиг.4 - осциллограммы авторезонансных колебаний при изменении электромагнитного момента по закону прямоугольного синуса, на фиг.5 - осциллограммы авторезонансных колебаний при изменении электромагнитного момента по закону прямоугольного синуса и изменении жесткости упругого элемента в 2 раза при превышении угла колебаний ротора относительно статора в 30 геометрических градусов, на фиг.6 - характеристика нелинейного упругого элемента с изменением коэффициента жесткости упругого элемента по закону C=C₀·(1+0.9·t²), на фиг.7 - осциллограммы авторезонансных колебаний при изменении электромагнитного момента по закону прямоугольного синуса и изменении коэффициента жесткости упругого элемента С по закону C=C₀·(1+0.9·t²), на фиг.8 - осциллограммы авторезонансных колебаний на частоте 15,7 Гц, полученные при физическом моделировании. На фиг.1: 1 - генератор сигналов; 2 - блок задания амплитуды; 3 - сумматор; 4 - регулятор амплитуды; 5 - выпрямитель; 6 - инвертор; 7 - упругий элемент; 8 - датчик скорости колебаний; 9 - электродвигатель; 10 - переключатель; 11 - блок управления; 12 - ручное управление; 13 - автоматическое управление или авторезонансный режим; 14 - сеть. На фиг.2-5 и 7: М - момент электродвигателя; φ - угол колебаний; φ' - скорость колебаний ротора относительно статора. На фиг.5 и 7 параметр Ω²φ=φ·C/J пропорционален М_УПР, где С - коэффициент жесткости упругого элемента, J - момент инерции подвижных элементов, М_УПР - упругий момент. На фиг.8: φ' - скорость колебаний ротора относительно статора, I₁ и I₂ - токи в обмотках электродвигателя, формирующие электромагнитный момент.The proposed method is illustrated by the drawings shown in figures 1-8, where figure 1 shows a functional diagram of an autoresonant electric drive of the rotary motion, on the basis of which the proposed method is implemented, figure 2 - graphs of steady-state forced oscillations at a resonant frequency, illustrating the resonant phase relationships, Fig.3-7 presents the results of simulation, namely, Fig.3 - oscillograms of autoresonant oscillations when the electromagnetic moment changes in a sinusoidal the law, in Fig. 4 - oscillograms of autoresonant oscillations when changing the electromagnetic moment according to the law of a rectangular sine, Fig. 5 - oscillograms of autoresonant oscillations when changing the electromagnetic moment in accordance with the law of a rectangular sine and changing the stiffness of an elastic element by 2 times when the rotor oscillation angle is exceeded relative to the stator 30 geometric degrees, 6 - characteristic of the nonlinear elastic member with a change of C = C ₀ · law stiffness coefficient of elastic element (1 + 0.9 · t ²⁾ 7 - oscillator grams autoresonant oscillation when changing the electromagnetic torque of the rectangular sine law and changing the stiffness coefficient of elastic element C C = C ₀ · law (1 + 0.9 · t ²⁾ 8 - autoresonant oscillation waveform at a frequency of 15.7 Hz obtained in physical modeling. In Fig.1: 1 - signal generator; 2 - block setting the amplitude; 3 - adder; 4 - amplitude regulator; 5 - rectifier; 6 - inverter; 7 - an elastic element; 8 - vibration velocity sensor; 9 - electric motor; 10 - switch; 11 - control unit; 12 - manual control; 13 - automatic control or auto-resonant mode; 14 is a network. In Fig.2-5 and 7: M is the moment of the electric motor; φ is the angle of oscillation; φ 'is the speed of oscillation of the rotor relative to the stator. In Figs. 5 and 7, the parameter Ω ² φ = φ · C / J is proportional to M _UPR , where C is the stiffness coefficient of the elastic element, J is the moment of inertia of the moving elements, M _UPR is the elastic moment. On Fig: φ 'is the speed of oscillation of the rotor relative to the stator, I ₁ and I ₂ are the currents in the motor windings forming the electromagnetic moment.

Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения реализуется следующим образом.The method of excitation and regulation of autoresonance oscillations in the electric drive of the rotary motion is implemented as follows.

Пуск авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения производят традиционным способом (см. фиг.1), для чего переключатель 10 переводят в положение 12. Изменением частоты сигнала на выходе генератора сигналов 1 возбуждают колебания ротора относительно статора в околорезонансной зоне. При достижении околорезонансного режима переключатель 10 переводят в положение 13. В режиме автоматического управления сигналы напряжения с выхода датчика скорости колебаний 8, установленного на электродвигатель 9, поступают через переключатель 10 на вход блока управления 11. Блок управления 11 на каждом полупериоде колебаний определяет моменты времени перехода кривой скорости колебаний ротора относительно статора через нулевое значение. В указанные моменты времени блок управления 11 формирует управляющие сигналы, поступающие на вход инвертора 6. На второй вход инвертора 6 подается напряжение от выпрямителя 5, подключенного к сети 14. В моменты времени, когда скорость колебаний равна нулю, на обмотки электродвигателя 9 подают напряжение, формирующее электромагнитный момент, изменяющийся синфазно со скоростью колебаний ротора относительно статора на каждом полупериоде колебаний. Использование упругого элемента 7, соединенного с валом электродвигателя 9, позволяет получить колебания ротора относительно статора в широком диапазоне частот (1-50 Гц). Амплитуду авторезонансных колебаний регулируют путем сравнения в сумматоре 3 заданного напряжения блока задания амплитуды 2 с сигналом отрицательной обратной связи, поступающим с выхода переключателя 10. Сигнал ошибки с выхода сумматора 3 поступает на вход регулятора амплитуды 4. Регулятор амплитуды 4 формирует сигналы управления, соответствующие заданной амплитуде, выпрямителем 5. Увеличение или уменьшение напряжения на выходе выпрямителя 5 соответствует увеличению или уменьшению амплитуды авторезонансных колебаний. Предлагаемый способ позволяет на каждом полупериоде колебаний обеспечить резонансные фазовые соотношения (см. фиг.2) между углом колебаний φ, скоростью колебаний ротора относительно статора φ' и моментом электродвигателя М. Результаты имитационного моделирования авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения показали, что момент электродвигателя М, изменяющийся синфазно со скоростью колебаний ротора относительно статора φ' по синусоидальному закону (см. фиг.3), по закону прямоугольного синуса (см. фиг.4-5 и 7) не влияет на устойчивость авторезонансного режима. Имитационное моделирование режимов работы авторезонансного электропривода (фиг.5 и 7) при изменении динамических параметров электромеханической системы, например, коэффициента жесткости упругого элемента (см. фиг.6), показало, что авторезонансный режим работы электропривода возвратно-вращательного движения инвариантен к изменению динамических параметров электромеханической системы и параметров нагрузки. Результаты физического моделирования (фиг.8) подтверждают возможность возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения.The start of the autoresonance electric drive of the rotary motion is carried out in the traditional way (see Fig. 1), for which the switch 10 is moved to position 12. By changing the signal frequency at the output of the signal generator 1, the rotor oscillates relative to the stator in the near-resonance zone. Upon reaching the near-resonance mode, the switch 10 is moved to position 13. In the automatic control mode, the voltage signals from the output of the oscillation speed sensor 8 installed on the electric motor 9 are fed through the switch 10 to the input of the control unit 11. The control unit 11 determines the transition times at each half-cycle of oscillations the curve of the speed of oscillation of the rotor relative to the stator through a zero value. At the indicated times, the control unit 11 generates control signals supplied to the input of the inverter 6. At the second input of the inverter 6, voltage is supplied from the rectifier 5 connected to the network 14. At times when the oscillation speed is zero, voltage is applied to the motor windings 9, forming an electromagnetic moment that changes in phase with the speed of the rotor relative to the stator at each half-cycle of the oscillations. The use of an elastic element 7 connected to the shaft of an electric motor 9 makes it possible to obtain rotor oscillations relative to the stator in a wide frequency range (1-50 Hz). The amplitude of the autoresonance oscillations is regulated by comparing the set voltage of the amplitude setting unit 2 in the adder 3 with the negative feedback signal coming from the output of the switch 10. The error signal from the output of the adder 3 is fed to the input of the amplitude controller 4. The amplitude controller 4 generates control signals corresponding to the given amplitude , a rectifier 5. An increase or decrease in the voltage at the output of the rectifier 5 corresponds to an increase or decrease in the amplitude of autoresonant oscillations. The proposed method allows for each half-cycle of oscillations to provide resonant phase relations (see Fig. 2) between the angle of oscillation φ, the oscillation speed of the rotor relative to the stator φ 'and the moment of the electric motor M. The results of the simulation of the autoresonant electric drive of the rotary motion showed that the moment of the electric motor M , which changes in phase with the speed of oscillation of the rotor relative to the stator φ 'according to the sinusoidal law (see figure 3), according to the law of the rectangular sine (see figures 4-5 and 7) does not affect and stability autoresonant mode. Simulation of the operating modes of an autoresonant electric drive (Figs. 5 and 7) when changing the dynamic parameters of an electromechanical system, for example, the stiffness coefficient of an elastic element (see Fig. 6), showed that the autoresonant operating mode of an electric actuator of reciprocal rotation is invariant to a change in dynamic parameters electromechanical system and load parameters. The results of physical modeling (Fig. 8) confirm the possibility of excitation and regulation of autoresonance oscillations in the electric drive of the rotary motion.

Предлагаемый способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения может быть реализован с использованием электродвигателей постоянного тока, переменного тока (асинхронного и синхронного двигателей), электродвигателей с явнополюсными роторами и роторами из постоянных магнитов.The proposed method for the excitation and regulation of autoresonance oscillations in the electric drive of the rotary motion can be implemented using DC motors, AC (asynchronous and synchronous motors), electric motors with explicit pole rotors and permanent magnet rotors.

Claims

The method of excitation and regulation of autoresonance oscillations in the electric drive of the rotary motion, which consists in the fact that at each half-cycle of oscillations measure the speed of the rotor and feed the electric motor, characterized in that at the time of transition of the curve of the speed of oscillation of the rotor relative to the stator through a zero value on the motor windings apply a voltage forming an electromagnetic moment that changes in phase with the speed of oscillation of the rotor relative to the stator, and the set value amplitude of oscillation of the rotor relative to the stator is controlled by varying the voltage supplied by a negative feedback of the vibration velocity amplitude value at each half-period oscillations.