RU2783044C1 - Electromechanical drive with a mechanical characteristic adaptive to the action of the load - Google Patents

Electromechanical drive with a mechanical characteristic adaptive to the action of the load Download PDF

Info

Publication number
RU2783044C1
RU2783044C1 RU2022107584A RU2022107584A RU2783044C1 RU 2783044 C1 RU2783044 C1 RU 2783044C1 RU 2022107584 A RU2022107584 A RU 2022107584A RU 2022107584 A RU2022107584 A RU 2022107584A RU 2783044 C1 RU2783044 C1 RU 2783044C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
load
speed
emf
available
signal
Prior art date
Application number
RU2022107584A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валентин Иванович Лалабеков
Семен Львович Самсонович
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2783044C1 publication Critical patent/RU2783044C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and can be used in aircraft drive systems, robotics slewing devices and other motion control systems for which energy-mass indicators are relevant. The effect is achieved by introducing feedback on the difference between the available and required speeds, carrying out power consumption from the source depending on the load, i.e. providing the electromechanical drive with adaptability to the load action. The electromechanical drive contains an electronic amplifier, an executive electric motor with a current sensor, a mechanical gearbox, and also contains sensors for the position and speed of the output shaft. Feedback is formed and introduced to the input of the electronic amplifier by the voltage difference corresponding to the difference in speeds between the available limiting mechanical and the required load characteristics for a fixed torque value. The required speed is realized in the form of a signal from the drive output shaft speed sensor, and the available speed is realized by the calculator according to the signal from the electric motor current sensor according to the dependence
Figure 00000052
, where
Figure 00000053
is the maximum voltage of the control signal;
Figure 00000054
,
Figure 00000055
- EM parameters, respectively: back-emf coefficient, active resistance of the armature.
EFFECT: increase in energy and mass indicators due to the regulation of power consumption depending on the effect of the load, i.e. creation of an EMF with the property of adaptability in terms of power to the action of the load.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах приводов летательных аппаратов, робототехники опорно-поворотных устройствах и в других системах управления движением, для которых энергомассовые показатели имеют актуальное значение.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in aircraft drive systems, robotics slewing devices and other motion control systems for which energy-mass indicators are relevant.

Известны электромеханические приводы (ЭМП) одноканальные и многоканальные различного назначения, содержащие в каждом канале каскад усилителей, электродвигатель с датчиком тока и положения ротора, механический редуктор, а также датчики положения и скорости выходного вала.Known electromechanical drives (EMF) single-channel and multi-channel for various purposes, containing in each channel a cascade of amplifiers, an electric motor with a current and rotor position sensor, a mechanical gearbox, as well as position and speed sensors of the output shaft.

В этих схемах все датчики указанных и других параметров используются в корректирующих обратных связях для достижения различных желаемых статических и динамических характеристик (Проектирование следящих систем. Под редакцией Л.В. Рабиновича, рис. 3.36, изд-во Машиностроение, М., 1969, Патент RU 2655723, Опубл. В Бюл. №16, 2018 г.).In these circuits, all sensors of these and other parameters are used in corrective feedback to achieve various desired static and dynamic characteristics (Design of servo systems. Edited by L.V. Rabinovich, Fig. 3.36, Mashinostroenie publishing house, M., 1969, Patent RU 2655723, published in Bulletin No. 16, 2018).

Обратные связи по току или моменту вводят для корректировки упругостей электрических и механических передач (повышение жёсткости – крутизны моментных характеристик), а связи по скорости для повышения быстродействия и качества переходных процессов.Current or torque feedbacks are introduced to correct the elasticity of electrical and mechanical transmissions (increase in rigidity - the steepness of moment characteristics), and speed links to increase the speed and quality of transients.

Однако перечисленные корректирующие обратные связи по указанным параметрам не использовались (в технической литературе не обнаружено) для корректировки потребляемой мощности источника электрической энергии в зависимости от действующей нагрузки, т.е. известные ЭМП не адаптивны по мощности к действию нагрузки.However, the listed corrective feedbacks for the indicated parameters were not used (not found in the technical literature) to correct the power consumption of the electric energy source depending on the current load, i.e. known EMFs are not adaptive in terms of power to the action of the load.

Технической задачей и целью предлагаемого изобретения является улучшение энергомассовых показателей за счёт регулирования потребляемой мощности в зависимости от действия нагрузки, т.е. создание ЭМП обладающего свойством адаптивности по мощности к действию нагрузки.The technical task and purpose of the proposed invention is to improve the energy-mass performance by regulating the power consumption depending on the load, i.e. creation of an EMF with the property of adaptability in terms of power to the action of the load.

Располагаемая мощность ЭМП характеризуется площадью предельной механической характеристики электродвигателя (ЭД), ограниченной значениями момента пуска

Figure 00000001
(где
Figure 00000002
- пусковой момент ЭД; q – передаточное отношение механического редуктора) и скоростью холостого хода
Figure 00000003
(где
Figure 00000004
- скорость холостого хода ЭД) при максимальном значении сигнала управления
Figure 00000005
.The available power of the EMF is characterized by the area of the limiting mechanical characteristic of the electric motor (EM), limited by the values of the starting torque
Figure 00000001
(where
Figure 00000002
- starting torque ED; q - gear ratio of the mechanical gearbox) and idle speed
Figure 00000003
(where
Figure 00000004
- idling speed EM) at the maximum value of the control signal
Figure 00000005
.

Условием преодоления ЭМП действия нагрузки, изменяющейся по некоторому закону (гармоническому, произвольному или др.), является расположение всех значений моментов нагрузки

Figure 00000006
и скоростей нагрузки
Figure 00000007
внутри плоскости, ограниченной этой механической характеристикой.The condition for overcoming the EMF of the action of a load that changes according to a certain law (harmonic, arbitrary, or others) is the location of all values of the load moments
Figure 00000006
and load speeds
Figure 00000007
inside the plane bounded by this mechanical characteristic.

На фиг. 1 приведены графики механической характеристики ЭМП и нагрузочной характеристики при гармоническом сигнале управления – эллипсе нагрузки.In FIG. 1 shows the graphs of the mechanical characteristic of the EMF and the load characteristic for a harmonic control signal - a load ellipse.

Как видно на фиг. 1 механическая характеристика контактирует с нагрузочной только в одной точке.As seen in FIG. 1 mechanical characteristic is in contact with the load characteristic only at one point.

Эта точка свидетельствует о том, что располагаемая мощность ЭМП полностью тратится (без учёта потерь) и примерно равна требуемой мощности. В остальных точках плоскости при одинаковом моменте имеет место разность скоростей

Figure 00000008
.This point indicates that the available EMF power is completely wasted (excluding losses) and is approximately equal to the required power. At other points of the plane, for the same moment, there is a difference in velocities
Figure 00000008
.

Если формировать механическую характеристику так, чтобы при каждом значении

Figure 00000009
скорости были примерно равны, т.е. механическая характеристика контактировала бы с нагрузочной во всём диапазоне изменения скорости, то можно сократить (сэкономить) энергоресурс (ёмкость батареи, а следовательно, и массу) источника электрического питания.If we form a mechanical characteristic so that at each value
Figure 00000009
the speeds were approximately equal, i.e. If the mechanical characteristic would be in contact with the load characteristic throughout the entire range of speed changes, then it is possible to reduce (save) the energy resource (battery capacity, and hence the mass) of the electrical power source.

Известно, что механическая характеристика ЭМП, например, с ЭД постоянного тока описывается уравнением It is known that the mechanical characteristic of an EMF, for example, with a DC ED, is described by the equation

Figure 00000010
,
Figure 00000010
,

где

Figure 00000011
- коэффициент противо-ЭДС;
Figure 00000012
- коэффициент момента;
Figure 00000013
- активное сопротивление обмотки якоря. where
Figure 00000011
- coefficient of back-EMF;
Figure 00000012
- moment coefficient;
Figure 00000013
- active resistance of the armature winding.

Если учесть, что Considering that

Figure 00000014
,
Figure 00000014
,

где

Figure 00000015
- потребляемый ток ЭД, то where
Figure 00000015
- consumed current ED, then

Figure 00000016
.
Figure 00000016
.

Скорость нагрузки можно получить с датчика скорости вала тахогенератора

Figure 00000017
или путём дифференцирования сигнала с датчика положения
Figure 00000018
выходного вала ЭМП.The load speed can be obtained from the tachogenerator shaft speed sensor
Figure 00000017
or by differentiating the signal from the position sensor
Figure 00000018
EMF output shaft.

В результате разность скоростей можно реализовать в виде:

Figure 00000019
.As a result, the speed difference can be realized in the form:
Figure 00000019
.

Технический результат достигается тем, что в ЭМП, содержащим электронный усилитель, исполнительный электродвигатель с датчиком тока, а также датчики положения и скорости выходного звена привода, сформирована и введена обратная связь на вход электронного усилителя по разности напряжений, соответствующей разности скоростей между располагаемой предельной механической и требуемой нагрузочной характеристиками для фиксированного значения момента, при этом, требуемая скорость реализуется в виде сигнала с датчика скорости выходного вала привода, а располагаемая скорость реализуется по сигналу с датчика тока электродвигателя по зависимостиThe technical result is achieved by the fact that in the EMF containing an electronic amplifier, an executive electric motor with a current sensor, as well as position and speed sensors of the drive output link, feedback is formed and introduced to the input of the electronic amplifier according to the voltage difference corresponding to the difference in speeds between the available limit mechanical and the required load characteristics for a fixed torque value, while the required speed is implemented as a signal from the speed sensor of the output shaft of the drive, and the available speed is implemented according to the signal from the motor current sensor according to the dependence

Figure 00000020
,
Figure 00000020
,

где

Figure 00000021
- максимальное напряжение сигнала управления;
Figure 00000011
- коэффициент противо-ЭДС;
Figure 00000012
- коэффициент момента;
Figure 00000013
- активное сопротивление обмотки якоря.Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой и графиками. where
Figure 00000021
- maximum control signal voltage;
Figure 00000011
- coefficient of back-EMF;
Figure 00000012
- moment coefficient;
Figure 00000013
- active resistance of the armature winding. The essence of the invention is illustrated by a diagram and graphs.

На фиг. 1 приведены графики неадаптивной механической характеристики и нагрузочной характеристики при гармоническом сигнале управления в относительных координатах:

Figure 00000022
- относительная координата текущего момента;
Figure 00000023
- относительная координата текущей угловой скорости. In FIG. 1 shows graphs of a non-adaptive mechanical characteristic and a load characteristic with a harmonic control signal in relative coordinates:
Figure 00000022
- relative coordinate of the current moment;
Figure 00000023
- relative coordinate of the current angular velocity.

На фиг. 2 приведена функциональная схема ЭМП адаптивного к нагрузке с предлагаемой обратной связью по разности скоростей. In FIG. 2 shows a functional diagram of an EMF adaptive to the load with the proposed feedback on the speed difference.

На фиг. 3 изображены графики экономической эффективности при гармоническом и произвольном сигналах управления.In FIG. 3 shows graphs of economic efficiency for harmonic and arbitrary control signals.

Функциональная схема ЭМП содержит последовательно расположенные: электронный блок 1, в который входят усилительное 2 и суммирующие устройства 3 и 4; исполнительный электродвигатель 5; механический редуктор 6 и датчики обратных связей: по току 7, которым является активное сопротивление в цепи якоря ЭД 5, электрически подключённого к сумматору 4 через вычислитель 8; по скорости выходного вала – тахогенератор (ТГ) 9, обмотки которого подключены к сумматору 4; по положению выходного вала – датчик обратной связи (ДОС) 10, подключённого к сумматору 3 электронного блока 1.The functional diagram of the EMF contains sequentially located: electronic unit 1, which includes amplifying 2 and summing devices 3 and 4; executive electric motor 5; mechanical gearbox 6 and feedback sensors: by current 7, which is the active resistance in the armature circuit ED 5, electrically connected to the adder 4 through the calculator 8; according to the speed of the output shaft - tachogenerator (TG) 9, the windings of which are connected to the adder 4; according to the position of the output shaft - feedback sensor (DOS) 10 connected to the adder 3 of the electronic unit 1.

В вычислитель 8 вводятся параметры исполнительного двигателя 5: коэффициент противо-ЭДС

Figure 00000024
, коэффициент момента
Figure 00000025
и активное сопротивление
Figure 00000026
и запрограммировано вычисление скорости в зависимости от тока
Figure 00000027
.The parameters of the executive engine 5 are entered into the calculator 8: the back-EMF coefficient
Figure 00000024
, moment coefficient
Figure 00000025
and active resistance
Figure 00000026
and programmed to calculate the speed depending on the current
Figure 00000027
.

ЭМП работает следующим образом. На вход электронного блока 1 подаётся сигнал

Figure 00000028
, например, в виде гармонического
Figure 00000029
или сигнала произвольной формы. В результате вычитания в сумматоре 3 сигнал с датчика обратной связи
Figure 00000030
на вход усилителя 2 поступает сигнал управления
Figure 00000031
.EMP works as follows. A signal is applied to the input of the electronic unit 1
Figure 00000028
, for example, in the form of a harmonic
Figure 00000029
or an arbitrary waveform. As a result of subtraction in the adder 3, the signal from the feedback sensor
Figure 00000030
the input of amplifier 2 receives a control signal
Figure 00000031
.

Для наглядности представления работы ЭМП примем, что усилитель работает по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), т.е. в усилителе формируется скважность импульсов пропорциональная сигналу управления. При отсутствии сигнала управления скважность γ = 0, при максимальном сигнале управления скважность γ = 1.For clarity, the representation of the work of the EMF, we assume that the amplifier operates on the principle of pulse-width modulation (PWM), i.e. the duty cycle of the pulses proportional to the control signal is formed in the amplifier. In the absence of a control signal, the duty cycle γ = 0, with a maximum control signal, the duty cycle γ = 1.

Амплитуда импульсов напряжения на выходе усилителя выбирается из условия, что скорость нагрузки и требуемая мощность, при фиксируемом моменте, равны без учёта потерь мощности, располагаемой ЭМП. Равенство скоростей и моментов свидетельствует о совпадении механической характеристики с нагрузочной. При любой скважности для каждой скорости располагаемая скорость превышает требуемую. The amplitude of the voltage pulses at the output of the amplifier is selected from the condition that the load speed and the required power, at a fixed torque, are equal without taking into account the power losses available by the EMF. The equality of speeds and moments indicates the coincidence of the mechanical characteristic with the load one. At any duty cycle for each speed, the available speed exceeds the required one.

При наличии импульса напряжения на обмотке ЭД по ней течёт ток, и вычислитель в соответствии с величиной тока рассчитывает по формуле

Figure 00000032
допустимую скорость при располагаемом моменте. Сигнал с вычислителя 8 подаётся на сумматор и из него вычитается напряжение с датчика скорости выходного вала – тахогенератора 9. Сигнал по разности скоростей
Figure 00000033
поступает в усилитель и изменяет величину амплитуды импульса в соответствии (пропорционально) с этой разностью. В результате ЭМП с введённой обратной связью по разности скоростей потребляет энергию в соответствии с действием нагрузки, сокращая её расход. Или другими словами формирует механическую характеристику ЭМП адаптивную к действию нагрузки.In the presence of a voltage pulse on the EM winding, current flows through it, and the calculator, in accordance with the current value, calculates by the formula
Figure 00000032
allowable speed at the available torque. The signal from the calculator 8 is fed to the adder and the voltage from the output shaft speed sensor - tachogenerator 9 is subtracted from it. The signal is based on the speed difference
Figure 00000033
enters the amplifier and changes the magnitude of the pulse amplitude in accordance (proportionally) with this difference. As a result, the EMF with the introduced speed difference feedback consumes energy in accordance with the action of the load, reducing its consumption. Or in other words, it forms the mechanical characteristic of the EMF adaptive to the action of the load.

Для оценки эффективности экономии энергии составлена математическая модель предлагаемого ЭМП и проведено моделирование его работы при гармоническом и произвольном законах управления. Результаты моделирования в виде графиков приведены на фиг. 3, где:To assess the efficiency of energy saving, a mathematical model of the proposed EMF was compiled and its operation was simulated under harmonic and arbitrary control laws. The simulation results are presented in the form of graphs in Fig. 3, where:

-

Figure 00000022
- относительная координата текущего момента; -
Figure 00000022
- relative coordinate of the current moment;

-

Figure 00000034
- относительная координата процента экономии электрической энергии;-
Figure 00000034
- relative coordinate of the percentage of saving electrical energy;

-

Figure 00000035
- площадь под кривой
Figure 00000036
для предельной механической характеристики ЭМП;-
Figure 00000035
- area under the curve
Figure 00000036
for the limiting mechanical characteristic of EMF;

-

Figure 00000037
- площадь под кривой
Figure 00000038
для адаптивной предельной механической характеристики ЭМП;-
Figure 00000037
- area under the curve
Figure 00000038
for the adaptive limiting mechanical characteristic of the EMF;

- площадь под кривой

Figure 00000036
для предельной механической характеристики ЭМП;- area under the curve
Figure 00000036
for the limiting mechanical characteristic of EMF;

-

Figure 00000039
- для эллипса нагрузки; -
Figure 00000039
- for the load ellipse;

-

Figure 00000040
- для произвольного закона нагрузки.-
Figure 00000040
- for an arbitrary load law.

Из приведённых графиков следует, что ЭМП с механической характеристикой адаптивной к действию нагрузки потребляет энергии на 15…38% меньше, чем с неадаптивной, в которой не используется обратная связь по разности скоростей. It follows from the above graphs that EMF with a mechanical characteristic of an adaptive load consumes energy by 15 ... 38% less than with a non-adaptive one, in which feedback on the speed difference is not used.

Claims (1)

Электромеханический привод с механической характеристикой, адаптивной к действию нагрузки, содержащий электронный усилитель, исполнительный электродвигатель с датчиком тока, механический редуктор, а также датчики положения и скорости выходного вала, отличающийся тем, что сформирована и введена обратная связь на вход электронного усилителя по разности напряжений, соответствующей разности скоростей между располагаемой предельной механической и требуемой нагрузочной характеристиками для фиксированного значения момента, при этом требуемая скорость реализуется в виде сигнала с датчика скорости выходного вала привода, а располагаемая скорость реализуется вычислителем по сигналу с датчика тока электрического двигателя по зависимости
Figure 00000041
, где
Figure 00000042
- максимальное напряжение сигнала управления;
Figure 00000043
,
Figure 00000044
- параметры ЭД соответственно: коэффициент противо-ЭДС, активное сопротивление якоря.An electromechanical drive with a mechanical characteristic adaptive to the action of the load, containing an electronic amplifier, an executive electric motor with a current sensor, a mechanical gearbox, as well as sensors for the position and speed of the output shaft, characterized in that a feedback is formed and introduced to the input of the electronic amplifier by the voltage difference, the corresponding speed difference between the available mechanical limit and the required load characteristics for a fixed torque value, while the required speed is realized as a signal from the speed sensor of the output shaft of the drive, and the available speed is realized by the calculator according to the signal from the electric motor current sensor according to the dependence
Figure 00000041
, where
Figure 00000042
- maximum control signal voltage;
Figure 00000043
,
Figure 00000044
- EM parameters, respectively: back-emf coefficient, active resistance of the armature.
RU2022107584A 2022-03-22 Electromechanical drive with a mechanical characteristic adaptive to the action of the load RU2783044C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2783044C1 true RU2783044C1 (en) 2022-11-08

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB841489A (en) * 1957-06-27 1960-07-13 Smith & Sons Ltd S Improvements in or relating to altitude control and indicating systems for aircraft
SU1372568A1 (en) * 1986-04-23 1988-02-07 В.А.Гордовой, Я.И.Волкомирский и А.П.Инешин Reversible electric drive
JP2017163629A (en) * 2016-03-07 2017-09-14 アルプス電気株式会社 Electromechanical device, control method for electromechanical device, and control program for electromechanical device
RU2655723C1 (en) * 2017-05-25 2018-05-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method of the interconnected electric drives coordinates adjustment

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB841489A (en) * 1957-06-27 1960-07-13 Smith & Sons Ltd S Improvements in or relating to altitude control and indicating systems for aircraft
SU1372568A1 (en) * 1986-04-23 1988-02-07 В.А.Гордовой, Я.И.Волкомирский и А.П.Инешин Reversible electric drive
JP2017163629A (en) * 2016-03-07 2017-09-14 アルプス電気株式会社 Electromechanical device, control method for electromechanical device, and control program for electromechanical device
RU2655723C1 (en) * 2017-05-25 2018-05-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method of the interconnected electric drives coordinates adjustment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Solsona et al. Nonlinear control of a permanent magnet synchronous motor with disturbance torque estimation
US5442268A (en) Torque oscillation compensation using torque emulator/observer feedback
CN102556152B (en) Full-hardware servo power-assisted steering controller
CN1988365A (en) Dead zone compensating method for space vector pulse width modulating output
CN108336935B (en) Linear motor control method with cooperation of backstepping control and ESO
CN103699134A (en) Position loop control-based electric steering engine system
RU2783044C1 (en) Electromechanical drive with a mechanical characteristic adaptive to the action of the load
CN203786565U (en) Position loop control-based electric steering engine system
US7126805B2 (en) Solenoid driving device
CN102730054B (en) Electric power steering device control method
JPS61115771A (en) Controller for motor power steering system
RU2395150C2 (en) Control system for rotor electro-magnet suspension
JPS5775591A (en) Motor drive circuit
RU2481202C1 (en) Device to automatically control speed of diesel locomotive with electric transmission
JP2020058231A5 (en)
Peng et al. Torque Sharing Function and Firing Angle Control of Switched Reluctance Machines-Hysteresis Current Control Versus PWM
CN216751574U (en) Ternary width-modulation power amplification module
RU131508U1 (en) SELF-ADJUSTING SPEED CONTROL SYSTEM
RU2210170C2 (en) Variable-structure adaptive control system
RU2724128C1 (en) Asynchronous motor control method
BEKAKRA et al. Improved Speed and Torque Performance for DTC of DFIM using Sliding Mode Speed Controller
SU945813A1 (en) Dc electric motor current static and dynamic component pickup
Mu et al. Intelligent IMC-PID control for ultrasonic motor
RU2404503C1 (en) Mechatronic system
JPH088275Y2 (en) Rotational speed controller for work engine