RU2572386C1 - Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing - Google Patents

Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing Download PDF

Info

Publication number
RU2572386C1
RU2572386C1 RU2014124762/08A RU2014124762A RU2572386C1 RU 2572386 C1 RU2572386 C1 RU 2572386C1 RU 2014124762/08 A RU2014124762/08 A RU 2014124762/08A RU 2014124762 A RU2014124762 A RU 2014124762A RU 2572386 C1 RU2572386 C1 RU 2572386C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
register
inputs
adder
Prior art date
Application number
RU2014124762/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Стариков
Ирина Сергеевна Беляева
Даниил Юрьевич Рокало
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет
Priority to RU2014124762/08A priority Critical patent/RU2572386C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2572386C1 publication Critical patent/RU2572386C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: digital regulator for control systems of electromagnetic suspension of the rotor contains registers, summation units, multiplexer with memorising, sign trigger, limitation unit, rectangular pulses generator, synchronisation unit, input signal busbar, gating input, output signal busbar, output signal sign busbar.
EFFECT: reduced amplitude of rotor oscillations in electromagnetic bearing.
6 dwg

Description

Изобретение относится к автоматизированным системам регулирования с цифровым управлением и может найти применение в машиностроении при создании роторных механизмов на электромагнитных опорах.The invention relates to automated control systems with digital control and can find application in mechanical engineering when creating rotary mechanisms on electromagnetic supports.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора (см. патент Российской Федерации №2417390, опубл. в БИ №12, 27.04.2011), содержащий пять регистров, четыре сумматора, мультиплексор с запоминанием, триггер знака, блока ограничения, два генератора прямоугольных импульсов и блок синхронизации.The closest in technical essence is the digital controller for the control system of the electromagnetic suspension of the rotor (see patent of the Russian Federation No. 2417390, published in BI No. 12, 04/27/2011), containing five registers, four adders, a memory multiplexer, a sign trigger, a block restrictions, two rectangular pulse generators and a synchronization unit.

Недостаток наиболее близкого цифрового регулятора заключается в том, что при большой величине постоянных времени дифференцирования и малых значениях периода дискретизации, реализованных с помощью элементов устройства, на выходе регулятора формируется сигнал, который фактически принимает только максимальные положительные или отрицательные значения. В результате ротор электромагнитного подшипника осуществляет колебания большой амплитуды относительно точки позиционирования.The disadvantage of the closest digital controller is that with a large value of the differentiation time constants and small values of the sampling period, implemented using the elements of the device, a signal is generated at the output of the controller, which actually takes only the maximum positive or negative values. As a result, the rotor of the electromagnetic bearing oscillates with large amplitude relative to the positioning point.

Технический результат достигается тем, что в цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подшипником, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый регистры, первый, второй, третий и четвертый сумматоры, мультиплексор с запоминанием, триггер знака, блок ограничения, первый и второй генераторы прямоугольных импульсов и блок синхронизации, причем первые входы первого регистра и блока синхронизации являются входом цифрового регулятора, выход первого регистра соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, инверсный выход второго регистра соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом третьего регистра, выход третьего регистра соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом четвертого регистра, выход четвертого регистра соединен с первыми входами третьего и четвертого сумматоров, инверсный выход пятого регистра соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с первым входом мультиплексора с запоминанием и входом блока ограничения, старший разряд выхода четвертого сумматора соединен с первым входом триггера знака, первый и второй выходы блока ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами мультиплексора с запоминанием, выходы первого и второго генераторов прямоугольных импульсов соединены соответственно с вторым и третьим входами блока синхронизации, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с вторыми входами первого, третьего и четвертого регистров, первыми входами второго и пятого регистров, четвертым входом мультиплексора с запоминанием и вторым входом триггера знака, причем выходы мультиплексора с запоминанием и триггера знака являются выходом цифрового регулятора, дополнительно введены шестой и седьмой регистры, причем выход первого регистра соединен с первым входом шестого регистра, выход которого соединен с вторым входом второго регистра, выход четвертого регистра соединен с первым входом седьмого регистра, выход которого соединен с вторым входом пятого регистра, восьмой и девятый выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторыми входами шестого и седьмого регистров.The technical result is achieved by the fact that in the digital controller for the electromagnetic bearing control system, containing the first, second, third, fourth and fifth registers, the first, second, third and fourth adders, a memory multiplexer, a sign trigger, a restriction block, the first and second generators rectangular pulses and a synchronization unit, the first inputs of the first register and synchronization unit being the input of a digital controller, the output of the first register connected to the first inputs of the first and second adders, and the output of the second register is connected to the second input of the first adder, the output of which is connected to the first input of the third register, the output of the third register is connected to the second input of the second adder, the output of which is connected to the first input of the fourth register, the output of the fourth register is connected to the first inputs of the third and fourth adders the inverse output of the fifth register is connected to the second input of the third adder, the output of which is connected to the second input of the fourth adder, the output of the fourth adder is connected to the first input ohm of the multiplexer with memorization and input of the limiting block, the highest bit of the output of the fourth adder is connected to the first input of the sign trigger, the first and second outputs of the limiting block are connected respectively to the second and third inputs of the multiplexer with memorization, the outputs of the first and second rectangular pulse generators are connected to the second and the third inputs of the synchronization unit, the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outputs of which are connected respectively to the second inputs of the first, third and the fourth registers, the first inputs of the second and fifth registers, the fourth input of the memory multiplexer and the second input of the sign trigger, the outputs of the memory multiplexer and the sign trigger are the output of the digital controller, the sixth and seventh registers are additionally introduced, and the output of the first register is connected to the first input the sixth register, the output of which is connected to the second input of the second register, the output of the fourth register is connected to the first input of the seventh register, the output of which is connected to the second input of the fifth of that register, the eighth and ninth outputs of the synchronization unit are connected respectively to the second inputs of the sixth and seventh registers.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет уменьшить амплитуду колебания ротора в электромагнитном подшипнике.Significant differences are expressed in a new set of connections between the elements of the device. The specified set of bonds allows to reduce the amplitude of the oscillation of the rotor in an electromagnetic bearing.

На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового регулятора для системы управления электромагнитным подшипником; на фиг. 2 - функциональная схема блока ограничения; на фиг. 3 - функциональная схема блока синхронизации; на фиг. 4 - структурная схема цифровой системы управления электромагнитным подшипником; на фиг. 5 - график процесса левитации ротора в системе управления электромагнитным подшипником с предложенным цифровым регулятором; на фиг. 6 - график процесса левитации ротора в системе управления электромагнитным подшипником с цифровым регулятором, взятым за прототип.In FIG. 1 is a functional diagram of a digital controller for an electromagnetic bearing control system; in FIG. 2 is a functional diagram of a restriction block; in FIG. 3 is a functional diagram of a synchronization unit; in FIG. 4 is a block diagram of a digital electromagnetic bearing control system; in FIG. 5 is a graph of the rotor levitation process in the electromagnetic bearing control system with the proposed digital controller; in FIG. 6 is a graph of the rotor levitation process in an electromagnetic bearing control system with a digital controller, taken as a prototype.

Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора (фиг. 1) содержит регистры 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, сумматоры 8, 9, 10 и 11, мультиплексор 12 с запоминанием, триггер 13 знака, блок 14 ограничения, генераторы 15 и 16 прямоугольных импульсов, блок 17 синхронизации, шину 18 входного сигнала, вход 19 стробирования, шину 20 выходного сигнала, шину 21 знака выходного сигнала. Первые входы регистра 1 и блока 17 синхронизации являются входом цифрового регулятора. Выход регистра 1 соединен с первыми входами первого и второго сумматоров 8 и 9. Инверсный выход регистра 3 соединен с вторым входом сумматора 8, выход которого соединен с первым входом регистра 4. Выход регистра 4 соединен с вторым входом сумматора 9, выход которого соединен с первым входом регистра 5. Выход регистра 5 соединен с первыми входами сумматоров 10 и 11. Инверсный выход регистра 7 соединен с вторым входом сумматора 10, выход которого соединен с вторым входом сумматора 11. Выход сумматора 11 соединен с первым входом мультиплексора 12 с запоминанием и входом блока 14 ограничения. Старший разряд выхода сумматора 11 соединен с первым входом триггера 13 знака. Первый и второй выходы блока 14 ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами мультиплексора 12 с запоминанием. Выходы генераторов 15 и 16 прямоугольных импульсов соединены соответственно с вторым и третьим входами блока 17 синхронизации, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с вторыми входами регистров 1, 4 и 5, первыми входами регистров 3 и 7, четвертым входом мультиплексора 12 с запоминанием и вторым входом триггера 13 знака. Выход регистра 1 соединен с первым входом регистра 2, выход которого соединен с вторым входом регистра 3. Выход регистра 5 соединен с первым входом регистра 6, выход которого соединен с вторым входом регистра 7. Восьмой и девятый выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторыми входами регистров 2 и 6. Выходы мультиплексора 12 с запоминанием и триггера 13 знака являются выходом цифрового регулятора.The digital controller for the control system of the rotor electromagnetic suspension (Fig. 1) contains registers 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7, adders 8, 9, 10 and 11, a multiplexer 12 with memory, a trigger 13 characters, block 14 restrictions , rectangular pulse generators 15 and 16, a synchronization unit 17, an input signal bus 18, a gating input 19, an output signal bus 20, an output signal sign bus 21. The first inputs of register 1 and block 17 synchronization are the input of a digital controller. The output of the register 1 is connected to the first inputs of the first and second adders 8 and 9. The inverse output of the register 3 is connected to the second input of the adder 8, the output of which is connected to the first input of the register 4. The output of the register 4 is connected to the second input of the adder 9, the output of which is connected to the first the input of the register 5. The output of the register 5 is connected to the first inputs of the adders 10 and 11. The inverse output of the register 7 is connected to the second input of the adder 10, the output of which is connected to the second input of the adder 11. The output of the adder 11 is connected to the first input of the multiplexer 12 with memorization Niemi and the input unit 14 limit. The senior bit of the output of the adder 11 is connected to the first input of the trigger 13 characters. The first and second outputs of block 14 restrictions are connected respectively with the second and third inputs of the multiplexer 12 with memory. The outputs of the generators 15 and 16 of the rectangular pulses are connected respectively to the second and third inputs of the synchronization block 17, the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outputs of which are connected respectively to the second inputs of the registers 1, 4 and 5, the first inputs of the registers 3 and 7, the fourth input of the multiplexer 12 with memory and the second input of the trigger 13 characters. The output of register 1 is connected to the first input of register 2, the output of which is connected to the second input of register 3. The output of register 5 is connected to the first input of register 6, the output of which is connected to the second input of register 7. The eighth and ninth outputs of the synchronization unit are connected respectively to the second inputs of the registers 2 and 6. The outputs of the multiplexer 12 with memory and trigger 13 characters are the output of a digital controller.

Основные блоки цифрового регулятора могут быть выполнены, например, на следующих микросхемах: регистры 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 - К555ТМ8; сумматоры 8, 9, 10 и 11 - К555ИМ6; мультиплексор 12 с запоминанием - К555КП13; триггер 13 знака - К555ТМ2.The main blocks of the digital controller can be performed, for example, on the following microcircuits: registers 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7 - K555TM8; adders 8, 9, 10 and 11 - K555IM6; multiplexer 12 with memory - K555KP13; trigger 13 signs - K555TM2.

Блок 14 ограничения (фиг. 2), например, содержит инвертор 22, m - входовый элемент И-НЕ 23, m - входовый элемент ИЛИ 24, элементы И 25 и 26, элемент ИЛИ 27. На вход инвертора 22 и первый вход элемента И 25 подается сигнал со старшего (знакового) разряда выхода сумматора 11. В зависимости от значения, на котором должен быть ограничен выходной сигнал цифрового регулятора? m старших разрядов (кроме знакового) подаются на m входов элементов И-НЕ 23 и ИЛИ 24. Выход элемента И-НЕ 23 соединен с вторым входом элемента И 25. Выход инвертора 22 соединен с первым входом элемента И 26, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 24. Выход элемента И 25 соединен с первым входом элемента ИЛИ 27, второй вход которого соединен с выходом элемента И 26. Вход инвертора 22 и входы элементов И-НЕ 23 и ИЛИ 24 являются входом 28 блока 14 ограничения. Выход 29 инвертора 22 является первым выходом блока 14 ограничения, а выход 30 элемента ИЛИ 27 - вторым выходом этого блока.Block 14 restrictions (Fig. 2), for example, contains an inverter 22, m is an input element AND 23, m is an input element OR 24, elements 25 and 26, element 27. At the input of the inverter 22 and the first input of the element AND 25 the signal from the highest (sign) bit of the output of the adder 11. m senior bits (except for the sign) are fed to m inputs of AND-NOT 23 and OR 24. The output of AND-23 is connected to the second input of AND 25. The output of inverter 22 is connected to the first input of AND 26, the second input of which is connected to the output of the OR element 24. The output of the AND 25 element is connected to the first input of the OR element 27, the second input of which is connected to the output of the And 26 element. The input of the inverter 22 and the inputs of the AND-NOT 23 and OR 24 elements are the input 28 of the restriction unit 14. The output 29 of the inverter 22 is the first output of the restriction unit 14, and the output 30 of the OR element 27 is the second output of this block.

Генераторы 15 и 16 прямоугольных импульсов, например, представляют собой автогенераторы, выполненные на микросхемах К555ЛА3 с кварцевой стабилизацией, причем выходы автогенераторов подключены к входам делителей частоты, реализованных на двоичных счетчиках, например, К555ИЕ7.Generators 15 and 16 of rectangular pulses, for example, are self-oscillators made on K555LA3 chips with quartz stabilization, and the outputs of the self-oscillators are connected to the inputs of frequency dividers implemented on binary counters, for example, K555IE7.

Блок 17 синхронизации (фиг. 3), например, содержит одновибраторы 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 и 40. Первый вход 41 одновибратора 31 является первым входом блока 17 синхронизации, на который подается сигнал с входа 19 стробирования цифрового регулятора (сигнал готовности информации на входе регулятора). Инверсный выход одновибратора 31 является первым выходом 44 блока 17 синхронизации. Вход 42 одновибратора 34 является вторым входом блока 17 синхронизации и на него подается сигнал с выхода генератора 15 прямоугольных импульсов. Выход одновибратора 34 соединен с вторым входом (входом блокировки) одновибратора 31 и входом одновибратора 35. Инверсный выход одновибратора 35 соединен с входом одновибратора 32 и первым входом одновибратора 36 и является вторым выходом 45 блока 17 синхронизации. Инверсный выход одновибратора 36 является третьим выходом 46 блока 17 синхронизации. Вход 43 одновибратора 37 является третьим входом блока 17 синхронизации и на него подается сигнал с выхода генератора 16 прямоугольных импульсов. Прямой выход одновибратора 37 соединен с вторым входом (входом блокировки) одновибратора 36, выход которого является третьим 46 выходом блока 17 синхронизации. Инверсный выход одновибратора 37 соединен с входом одновибратора 38, инверсный выход которого соединен с входом одновибратора 39. Инверсный выход одновибратора 39 соединен с входом одновибратора 40 и является пятым 48 выходом блока 17 синхронизации. Прямой и инверсные выходы одновибратора 38 являются соответственно седьмым 50 и шестым 49 выходами блока 17 синхронизации. Инверсный выход одновибратора 32 соединен с входом одновибратора 33 и является четвертым 47 выходом блока 17 синхронизации. Инверсный выход одновибратора 33 является восьмым 51 выходом блока 17 синхронизации, а инверсный выход одновибратора 40 - девятым 52 выходом этого блока.The synchronization block 17 (Fig. 3), for example, contains single vibrators 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 and 40. The first input 41 of the single vibrator 31 is the first input of the synchronization block 17, to which the signal the input 19 of the strobing of the digital controller (signal of readiness of information at the input of the controller). The inverted output of the single-shot 31 is the first output 44 of the synchronization block 17. The input 42 of the single-shot 34 is the second input of the synchronization unit 17 and it receives a signal from the output of the rectangular pulse generator 15. The output of the single vibrator 34 is connected to the second input (interlocking input) of the single vibrator 31 and the input of the single vibrator 35. The inverse output of the single vibrator 35 is connected to the input of the single vibrator 32 and the first input of the single vibrator 36 and is the second output 45 of the synchronization block 17. The inverted output of the single-shot 36 is the third output 46 of the synchronization block 17. The input 43 of the single-vibrator 37 is the third input of the synchronization unit 17 and a signal is supplied to it from the output of the rectangular pulse generator 16. The direct output of the single vibrator 37 is connected to the second input (blocking input) of the single vibrator 36, the output of which is the third 46 output of the synchronization unit 17. The inverse output of the single vibrator 37 is connected to the input of the single vibrator 38, the inverse output of which is connected to the input of the single vibrator 39. The inverse output of the single vibrator 39 is connected to the input of the single vibrator 40 and is the fifth 48 output of the synchronization block 17. The direct and inverse outputs of the single vibrator 38 are respectively the seventh 50 and sixth 49 outputs of the synchronization block 17. The inverse output of the single vibrator 32 is connected to the input of the single vibrator 33 and is the fourth 47 output of the synchronization unit 17. The inverse output of the single vibrator 33 is the eighth 51 output of the synchronization block 17, and the inverse output of the single vibrator 40 is the ninth 52 output of this block.

Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подшипником работает следующим образом. При отклонении ротора от центрального положения на входную шину 18 регулятора поступает цифровой код с датчика положения ротора. По приходу сигнала стробирования на первый вход 19 блока 17 синхронизации этот код записывается в регистр 1. При этом посредством регистров 1, 2 и 3, сумматора 8, и соответствующих связей на выходе регистра 4 начинает формироваться цифровой код, пропорциональный скорости (первой производной) перемещения ротора в поле электромагнитов. Величина постоянной времени дифференцирования определяется периодом выходного сигнала генератора 15 прямоугольных импульсов, который через блок 17 синхронизации воздействует на входы стробирования регистров 1, 2 и 3. Постоянная времени дифференцирования определяется также сдвигом выходных разрядов регистров 1 и 3 относительно разрядов сумматора 8. На выходе сумматора 9 формируется и записывается в регистр 5 по сигналу с блока 17 синхронизации разность пропорциональной составляющей закона регулирования и сигнала с выхода регистра 4 (скорости перемещения ротора). Коэффициент передачи пропорциональной составляющей определяется сдвигом разрядов регистра 1 относительно разрядов сумматора 9. Дальнейшее прохождение сигналов в цифровом регуляторе определяется периодом выходного сигнала генератора 16 прямоугольных импульсов, который через блок 17 синхронизации осуществляет последовательное стробирование мультиплексора 12 с запоминанием, триггера 13 знака и регистров 6 и 7. При этом на выходах регулятора 20 и 21, т.е. на выходе мультиплексора 12 с запоминанием и триггера 13 знака, формируется цифровой код, пропорциональный собственно разности между пропорциональной составляющей и скорости перемещения и первой производной от этой разности. Таким образом, регистры 5, 6 и 7, сумматоры 10 и 11, а также мультиплексор 12 с запоминанием и триггер 13 знака осуществляют закон регулирования, соответствующий пропорционально-дифференциальному регулятору. Причем постоянная времени пропорционально-дифференциального регулятора определяется периодом генератора 16 прямоугольных импульсов и сдвигом выходных разрядов регистров 5 и 7 относительно разрядов сумматора 10. Коэффициент передачи пропорционально-дифференциального регулятора определяется сдвигом выходных разрядов сумматора 11 относительно разрядов мультиплексора 12 с запоминанием. В случае превышения выходным сигналом сумматора 11 определенной величины срабатывает блок 14 ограничения, который в зависимости от знака сигнала подает на второй вход мультиплексора 12 с запоминанием сигнал низкого или высокого уровня, а по третьему его входу производит переключение входов мультиплексора. В результате на выходе цифрового регулятора сигнал изменяется в заданных пределах.The digital controller for the control system of the electromagnetic bearing operates as follows. When the rotor deviates from its central position, a digital code is supplied to the input bus 18 of the controller from the rotor position sensor. Upon the arrival of the gating signal to the first input 19 of the synchronization block 17, this code is recorded in register 1. At the same time, through the registers 1, 2 and 3, the adder 8, and the corresponding connections, the digital code proportional to the speed (first derivative) of movement begins to be generated at the output of register 4 rotor in the field of electromagnets. The value of the differentiation time constant is determined by the period of the output signal of the rectangular pulse generator 15, which through the synchronization unit 17 acts on the gating inputs of the registers 1, 2 and 3. The differentiation time constant is also determined by the shift of the output bits of the registers 1 and 3 relative to the bits of the adder 8. At the output of the adder 9 the difference between the proportional component of the regulation law and the signal from the output of register 4 (speed and movement of the rotor). The transmission coefficient of the proportional component is determined by the shift of the bits of register 1 relative to the bits of the adder 9. The further passage of the signals in the digital controller is determined by the period of the output signal of the rectangular pulse generator 16, which through the synchronization block 17 sequentially gates the multiplexer 12 with memory, the sign trigger 13 and registers 6 and 7 . Moreover, at the outputs of the regulator 20 and 21, i.e. at the output of the multiplexer 12 with memorization and trigger 13 of the sign, a digital code is generated proportional to the actual difference between the proportional component and the speed of movement and the first derivative of this difference. Thus, registers 5, 6 and 7, adders 10 and 11, as well as a memory multiplexer 12 and a sign trigger 13 implement the control law corresponding to the proportional-differential controller. Moreover, the time constant of the proportional-differential controller is determined by the period of the generator of 16 rectangular pulses and the shift of the output bits of the registers 5 and 7 relative to the bits of the adder 10. The transmission coefficient of the proportional-differential controller is determined by the shift of the output bits of the adder 11 relative to the bits of the multiplexer 12 with memory. In case the output signal of the adder 11 exceeds a certain value, a limiting unit 14 is triggered, which, depending on the signal sign, supplies a low or high level signal to the second input of the multiplexer 12 with memory, and switches the multiplexer inputs at its third input. As a result, at the output of the digital controller, the signal changes within specified limits.

Выходной сигнал цифрового регулятора предназначен для управления силовым преобразователем (например, цифровым широтно-импульсным преобразователем, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов) электромагнитного подшипника по одной оси. Цифровой регулятор будет стремиться свести отклонение ротора от центрального положения к нулю. При этом следует ожидать высокие показатели быстродействия.The output signal of the digital controller is designed to control a power converter (for example, a digital pulse-width converter, the output of which is connected to the windings of electromagnets) of an electromagnetic bearing along one axis. The digital controller will seek to reduce the deviation of the rotor from its center position to zero. At the same time, high performance indicators should be expected.

Действительно, структурную схему системы с предлагаемым цифровым регулятором можно представить следующим образом (фиг. 4).Indeed, the structural diagram of the system with the proposed digital controller can be represented as follows (Fig. 4).

Здесь ИЭ1 - импульсный элемент первого рода, который непрерывную функцию времени превращает в решетчатую. ИЭ2 - идеальный импульсный элемент второго рода, преобразующий дискретную последовательность N0[n] в последовательность δ-функций N*[n], т.е. последовательность бесконечных по высоте и бесконечно коротких импульсов. Экстраполятор Э превращает эти импульсы в постоянные в течение такта значения N(t), которые воздействуют на объект управления с передаточной функцией WОУ(р). Под объектом управления понимается совокупность силового преобразователя и процесса перемещения ротора в поле электромагнитов. Введение в структурную схему идеального импульсного элемента второго рода сделано с целью формального изображения экстраполятора в виде динамического звена с передаточной функцией WЭ(р). Цифровой регулятор представлен дискретными передаточными функциями WPC(z), WРП(z), WОСС(z) и сравнивающими устройствами, а датчик положения ротора - безинерционным звеном с коэффициентом передачи kДП. На структурной схеме хЗ(t) - сигнала задания (принципиально равный нулю в системе управления электромагнитным подвесом ротора); x(t) - перемещение ротора в поле электромагнитов.Here IE1 is a pulsed element of the first kind, which turns a continuous function of time into a lattice one. IE2 is an ideal impulse element of the second kind, transforming a discrete sequence N 0 [n] into a sequence of δ-functions N * [n], i.e. a sequence of infinite in height and infinitely short impulses. The extrapolator E turns these pulses into constant values N (t) during the cycle, which act on the control object with the transfer function W OU (p). The control object is understood as a combination of a power converter and the process of moving the rotor in the field of electromagnets. An introduction to the structural diagram of an ideal pulse element of the second kind was made with the aim of formally representing the extrapolator in the form of a dynamic link with the transfer function W e (p). The digital controller is represented by discrete transfer functions W PC (z), W RP (z), W OSS (z) and comparison devices, and the rotor position sensor is a non-inertia link with a transmission coefficient k DP . On the structural diagram x 3 (t) - reference signal (fundamentally equal to zero in the control system of the electromagnetic suspension of the rotor); x (t) is the movement of the rotor in the field of electromagnets.

Дискретная передаточная функция пропорциональной части регулятора для случая, когда выходные разряды регистра 1 не имеют сдвига относительно разрядов сумматора 9:Discrete transfer function of the proportional part of the controller for the case when the output bits of register 1 do not shift relative to the bits of the adder 9:

Figure 00000001
Figure 00000001

Дискретная передаточная функция части регулятора, вычисляющей скорость перемещения ротора, при смещении разрядов регистров 1 и 3 относительно разрядов сумматора 6, например, на 3 разряда (что соответствует умножению на 8):The discrete transfer function of the part of the controller that calculates the speed of the rotor when the bits of the registers 1 and 3 are offset relative to the bits of the adder 6, for example, by 3 bits (which corresponds to multiplication by 8):

Figure 00000002
Figure 00000002

Дискретная передаточная функция второй части регулятора с учетом того, например, что выходные разряды регистров 5 и 7 сдвинуты на 8 разрядов относительно разрядов сумматора 10 (соответствует умножению на 256), а выходные разряды сумматора 11 не имеют сдвига:The discrete transfer function of the second part of the controller, taking into account, for example, that the output bits of the registers 5 and 7 are shifted by 8 bits relative to the bits of the adder 10 (corresponding to multiplication by 256), and the output bits of the adder 11 do not have a shift:

Figure 00000003
Figure 00000003

Передаточная функция объекта управления (см. Стариков А.В., Макаричев Ю.А., Стариков А.В. Математическая модель радиального электромагнитного подшипника как объекта управления // Электротехнические системы и комплексы: Сб. науч. трудов. - Магнитогорск: МГТУ, 1998. - С. 80-86.)The transfer function of the control object (see Starikov A.V., Makarichev Yu.A., Starikov A.V. Mathematical model of a radial electromagnetic bearing as a control object // Electrotechnical systems and complexes: Collection of scientific works. - Magnitogorsk: MSTU, 1998. - S. 80-86.)

Figure 00000004
Figure 00000004

где m - масса ротора, приходящаяся на один электромагнитный подшипник; kF - коэффициент передачи положительной обратной связи по перемещению; kЕ - коэффициент передачи обратной связи по э.д.с.; kЭМ - коэффициент передачи электромагнитов по силе; ТЭ - электромагнитная постоянная времени обмоток электромагнитов; kШИМ - коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора; U - опорное напряжение широтно-импульсной модуляции.where m is the mass of the rotor per one electromagnetic bearing; k F is the transfer coefficient of positive feedback on the movement; k E is the transfer coefficient of feedback on the emf; k EM - transmission coefficient of electromagnets by force; T E - electromagnetic time constant of the windings of electromagnets; k PWM - transmission coefficient of a pulse-width modulator; U - reference voltage pulse width modulation.

Для электромагнитного подвеса ротора с характеристиками: kЕ=1461 Вс/м; kЭМ=1306 Н; kF=1315900 Н/м; m=36 кг; R=117,7 Ом; L=4,5 Гн; TЭ=0,038233 с; U=57,7 В; kйСМ,=0,001961; kПД=1000000 дискрет/м, - и периодом импульсов тактовых генераторов 15 и 16 Т=0,0002 с в среде MATLAB SIMULINK рассчитан график процесса левитации ротора с учетом квантования сигналов по уровню и ограничения максимальной величины сигналов (фиг. 5). Анализ графика показывает, что ротор будет совершать колебания относительно точки позиционирования с амплитудой 6 мкм. Эта величина как минимум в 5 раз меньше, чем в системе управления электромагнитным подшипником с цифровым регулятором, взятым за прототип.For electromagnetic suspension of the rotor with characteristics: k E = 1461 Vs / m; k EM = 1306 N; k F = 1315900 N / m; m = 36 kg; R = 117.7 ohms; L = 4.5 H; T e = 0.038233 s; U = 57.7 V; k yCM , = 0.001961; k PD = 1,000,000 sampling / m, and with a pulse period of 15 and 16 T = 0.0002 s clocks in MATLAB SIMULINK, a graph of the rotor levitation process was calculated taking into account the quantization of signals by level and limiting the maximum signal size (Fig. 5). Analysis of the graph shows that the rotor will oscillate relative to the positioning point with an amplitude of 6 μm. This value is at least 5 times less than in an electromagnetic bearing control system with a digital controller, taken as a prototype.

Действительно, при сохранении тех же настроек пропорционально-дифференциального регулятора скорости его дискретная передаточная функция в прототипе:Indeed, while maintaining the same settings of the proportional-differential speed controller, its discrete transfer function in the prototype:

Figure 00000005
Figure 00000005

Дискретная передаточная функция части регулятора, вычисляющей скорость перемещения ротора в прототипе:Discrete transfer function of the part of the regulator that calculates the speed of movement of the rotor in the prototype:

Figure 00000006
Figure 00000006

С учетом этих передаточных функций также построен график процесса левитации ротора (фиг. 6), который показывает, что в системе управления электромагнитным подшипником с цифровым регулятором, взятым за прототип, амплитуда колебаний ротора относительно точки позиционирования превышает 30 мкм.Taking into account these transfer functions, a graph of the rotor levitation process is also constructed (Fig. 6), which shows that in the electromagnetic bearing control system with a digital controller, taken as a prototype, the amplitude of rotor oscillations relative to the positioning point exceeds 30 μm.

Таким образом, предложенный цифровой регулятор позволяет уменьшить амплитуду колебания ротора в электромагнитном подшипнике.Thus, the proposed digital controller allows to reduce the amplitude of oscillation of the rotor in an electromagnetic bearing.

Claims (1)

Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подшипником, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый регистры, первый, второй, третий и четвертый сумматоры, мультиплексор с запоминанием, триггер знака, блок ограничения, первый и второй генераторы прямоугольных импульсов и блок синхронизации, причем первые входы первого регистра и блока синхронизации являются входом цифрового регулятора, выход первого регистра соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, инверсный выход второго регистра соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом третьего регистра, выход третьего регистра соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом четвертого регистра, выход четвертого регистра соединен с первыми входами третьего и четвертого сумматоров, инверсный выход пятого регистра соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого сумматора соединен с первым входом мультиплексора с запоминанием и входом блока ограничения, старший разряд выхода четвертого сумматора соединен с первым входом триггера знака, первый и второй выходы блока ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами мультиплексора с запоминанием, выходы первого и второго генераторов прямоугольных импульсов соединены соответственно с вторым и третьим входами блока синхронизации, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с вторыми входами первого, третьего и четвертого регистров, первыми входами второго и пятого регистров, четвертым входом мультиплексора с запоминанием и вторым входом триггера знака, причем выходы мультиплексора с запоминанием и триггера знака являются выходом цифрового регулятора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены шестой и седьмой регистры, причем выход первого регистра соединен с первым входом шестого регистра, выход которого соединен с вторым входом второго регистра, выход четвертого регистра соединен с первым входом седьмого регистра, выход которого соединен с вторым входом пятого регистра, восьмой и девятый выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторыми входами шестого и седьмого регистров. A digital controller for an electromagnetic bearing control system comprising first, second, third, fourth and fifth registers, first, second, third and fourth adders, a memory multiplexer, a sign trigger, a restriction block, a first and second square-wave pulse generators, and a synchronization block, the first inputs of the first register and synchronization block are the input of the digital controller, the output of the first register is connected to the first inputs of the first and second adders, the inverse output of the second register is connected to w the second input of the first adder, the output of which is connected to the first input of the third register, the output of the third register is connected to the second input of the second adder, the output of which is connected to the first input of the fourth register, the output of the fourth register is connected to the first inputs of the third and fourth adders, the inverse output of the fifth register is connected with the second input of the third adder, the output of which is connected to the second input of the fourth adder, the output of the fourth adder is connected to the first input of the multiplexer with memory and input block As a constraint, the high-order bit of the output of the fourth adder is connected to the first input of the sign trigger, the first and second outputs of the restriction unit are connected respectively to the second and third inputs of the multiplexer with memory, the outputs of the first and second rectangular pulse generators are connected respectively to the second and third inputs of the synchronization block, the first , the second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outputs of which are connected respectively to the second inputs of the first, third and fourth registers, the first inputs of the second the fifth and fifth registers, the fourth input of the memory multiplexer and the second input of the sign trigger, and the outputs of the memory multiplexer and the sign trigger are the output of the digital controller, characterized in that the sixth and seventh registers are additionally introduced into it, and the output of the first register is connected to the first input the sixth register, the output of which is connected to the second input of the second register, the output of the fourth register is connected to the first input of the seventh register, the output of which is connected to the second input of the fifth register, the seventh and ninth outputs of the synchronization unit are connected respectively to the second inputs of the sixth and seventh registers.
RU2014124762/08A 2014-06-17 2014-06-17 Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing RU2572386C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014124762/08A RU2572386C1 (en) 2014-06-17 2014-06-17 Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014124762/08A RU2572386C1 (en) 2014-06-17 2014-06-17 Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2572386C1 true RU2572386C1 (en) 2016-01-10

Family

ID=55072128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014124762/08A RU2572386C1 (en) 2014-06-17 2014-06-17 Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2572386C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5552682A (en) * 1993-04-27 1996-09-03 Sankyo Seiki Mfg. Co., Ltd. Device for detecting rotational position of brushless motor
EP1363217A3 (en) * 2002-04-02 2004-12-15 Hitachi, Ltd. Rotation planning apparatus and rotation planning system
RU2290746C1 (en) * 2005-06-10 2006-12-27 Елена Васильевна Кравцова Method and device for controlling electromagnetic bearings
RU2417390C2 (en) * 2009-03-03 2011-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Digital controller for rotor electromagnetic suspension
RU2433443C1 (en) * 2010-04-05 2011-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Rotor electromagnetic yoke control system digital controller

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5552682A (en) * 1993-04-27 1996-09-03 Sankyo Seiki Mfg. Co., Ltd. Device for detecting rotational position of brushless motor
EP1363217A3 (en) * 2002-04-02 2004-12-15 Hitachi, Ltd. Rotation planning apparatus and rotation planning system
EP1783674A2 (en) * 2002-04-02 2007-05-09 Hitachi, Ltd. Rotation planning apparatus
RU2290746C1 (en) * 2005-06-10 2006-12-27 Елена Васильевна Кравцова Method and device for controlling electromagnetic bearings
RU2417390C2 (en) * 2009-03-03 2011-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Digital controller for rotor electromagnetic suspension
RU2433443C1 (en) * 2010-04-05 2011-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Rotor electromagnetic yoke control system digital controller

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Koyuncu et al. Implementation of FPGA-based real time novel chaotic oscillator
TW201320608A (en) Variable frequency ratiometric multiphase pulse width modulation generation
CN104660220B (en) Signal generator and signal generation method for generating integer frequency pulses
WO2019237114A1 (en) Clockless programmable pulse width generation using an inverse chaotic map
RU2496228C1 (en) Ramp-type analogue-to-digital converter
RU2572386C1 (en) Digital regulator for control systems of electromagnetic bearing
CN103916104B (en) Pwm signal generative circuit, printer and pwm signal generate method
RU2517295C1 (en) Pulse selector
RU2433443C1 (en) Rotor electromagnetic yoke control system digital controller
Kocamaz et al. Synchronization of Vilnius chaotic oscillators with active and passive control
Agarwal et al. Modeling, simulation based DC motor speed control by implementing PID controller on FPGA
RU2417390C2 (en) Digital controller for rotor electromagnetic suspension
CN104133409A (en) Triangular wave combining device with adjustable symmetry
Telba DC motor speed control using FPGA
Ouyang et al. Comparison of definition of several fractional derivatives
CN109445272A (en) The method and device of clock signal synchronization method, adjustment signal frequency
RU2181903C2 (en) Digital controller for system controlling electromagnetic suspension of rotor
Karthikeyan et al. FPGA implementation of novel synchronization methodology for a new chaotic system
RU2597513C2 (en) Digital modulator for power converter of electromagnetic bearing
Suedomi et al. Parameterized digital hardware design of pulse-coupled phase oscillator model toward spike-based computing
RU163922U1 (en) SYNCHRONO-SYNCHASE ELECTRIC ACTUATOR
RU2586006C1 (en) Digital synthesizer of noise signals
CN100458685C (en) Device and method for generating randow number
Marufuzzaman et al. A high speed current dq PI controller for PMSM drive
Gorbounov Accurate Quadrature Encoder Decoding Using Programmable Logic

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160618