Устройство для настройки моментного вентильного электродвигателя

 

Использование: Для настройки в процессе изготовления и эксплуатации электрических машин, работающих в качестве исполнительных моментных двигаталелей следящих систем и систем стабилизации. Сущность: Наряду с датчиками 9, 10, 7, 8 соответственно угла, момента и тока в устройство введена микропроцессорная система на постоянном запоминающем устройстве 17 и цифроаналоговых преобразователях 12, 13. Настройку производят с высокой производительностью. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 Р 6/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ . (21) 4756380/07 (22) 03.11.89 (46) 07.11,92. Бюл. М 41 (71) Казанский авиационный институт им.А.Н.Туполева (72),А.Ю.Афанасьев (56) Столов Л.И., Зыков Б,Н. Моментные двигатели с постоянными магнитами, М.:

Энергия, 1977, с.19, 98 — 100.

Авторское свидетельство СССР

М 1580495, кл. Н 02 P 6/02, 1987, Авторское свидетельство СССР

М 1580496, кл. Н 02 P 6/02, 1988. (19) (1! ) с (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ МОМЕНТНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРО-, ДВИГАТЕЛЯ (57) Использование: Для настройки в процессе изготовления и эксплуатации электрических машин, работающих в качестве исполнительных моментных двигаталелей следящих систем и систем стабилизации.

Сущность: Наряду с датчиками 9, 10, 7, 8 соответственно угла, момента и тока s устройство введена микропроцессорная система на постоянном запоминающем устройстве 17 и цифроаналоговых преобразователях 12, 13. Настройку производят с высокой производительностью. 3 ил, 1774454 обмотки якоря. Устройство содержит задатчик угла поворота ротора-индуктора, датчи- ЗО

55

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим двигателям постоянного тока с бесконтактной коммутацией, т.е. к вентильным электродвигателям, и предназначено для настройки в процессе изготовления и эксплуатации электрических машин, работающих в качестве исполнительных моментныхдвигателей приводов прецизионных следящих систем и систем стабилизации.

Настройка моментного вентильного электродвигателя (МВД) заключается в определении оптимальных значений токов фаз обмотки якоря синхронного электродвигателя, создающих при различных углах поворота ротора-индуктора требуемый электромагнитный момент при минимальных потерях в обмотке якоря.

Известно устройство для настройки

МВД, содержащего синхронную электрическую машину с двухфазной обмоткой якоря и ротором-индуктором, два усилителя-преобразователя, а также датчик положения ротора в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора, осуществляющего синусно-косинусное преобразование угла и умножение на входной сигнал, пропорциональный амплитуде системы токов ки угла момента. Настройка заключается в развороте статора датчика угла включенноro двигателя относительно статора синхронной машины до положения максимума вращающего момента (1).

Недостатком данного устройства является трудность автоматизации процесса настройки в связи с механическим характером настройки, Известно устройство для настройки

МВД, содержащее датчик и задатчик угла, датчик момента, дифференциатор, анализатор знака, генератор импульсов, синхронный Т-триггер, интегратор, синусно-косинусный функциональный преобразователь, два перемножителя, два аналого-цифровых преобразователя, импульсное управляющее устройство, задатчик амплитуды тока, задатчик адреса, эапоминающее устройство (Авторское свидетельство М 1580496. кл. Н 02 Р 6/02, 1988).

Его недостатком является фиксация амплитуды токов якоря с получением неизвестного заранее электромагнитного момента, Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для настройки МВД, выполненного на

25 базе синхронной электрической машины с двухфазной обмоткой якоря и ротором-индуктором, содержащее два усилителя мощности с выходами для подключения к первой, второй фазам обмотки якоря через входы первого. второго датчиков тока, выходы которых подключены к инвертирующим входам первого, второго усилителей мощности, датчик и эадатчик угла, датчик и задатчик момента, первый, второй сумматоры, первый, второй интеграторы, синхронный детектор, синусно-косинусн ый фун кциональный преобразователь, первый, второй

Перемножители, генератор опорного напряжения, полупроводниковый ключ, управляющее устройство, счетчик импульсов и запоминающее устройство с аналого-цифровыми преобразователями. Ротор-индуктор механически связан с роторами датчика и задатчика угла и датчика момента, выход которого подключен к входу первого сумматора, второй инвертирующий вход которого подключен к выходу эадатчика момента, а выход подключен к входам первого интегратора и синхронного детектора. Его электрод опорного напряжения подключен к второму входу второго сумматора и через полупроводниковый ключ — к выходу гененатора опорного напряжения. а выход подключен к входу второго интегратора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, его выход подключен к входу синуснокосинусного функционального преобразователя. Его выходы подключены к входам перемножителей, вторые входы которых подключены к выходу первого интег- ратора, а выходы — к первым входам первого, второго усилителей мощности, первый-третий выходы уп ра вля ю щего устройства подключены к управляющему электроду полупроводникового ключа, входу синхронизации запоминающего устройства и входам задатчика момента и счетчика импульсов, выход которого подключен к адресному входу запоминающего устройства, содержащего четыре аналого-цифровых преобразователя, выходы которых подключены к выходам датчика угла, датчика момента, первого, второго перемножителей (31, Недостатком известного устройства является большое время настройки в связи с многоэтапной настройкой при каждом угловом положении ротора-индуктора.

Целью изобретения является снижение времени настройки путем непрерывной записи и обработки информации о моменте и. токах а функции угла поворота.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для настройки моментного

1774454 вентиRüíого электродвигателя. выполнеH ного на базе двухфазной синхронной výøèны с обмоткой якоря и ротором индуктором, содержащее электродвигатель для привода синхронной машины, датчик угла и датчик момента для установки на вал синхронной машины, усилители мощности с выходами для подключения к фазам обмотки якоря, два аналого-цифровых преобразователя, входы которых подключены соответственно к выходам датчиков угла и момента, датчики тока, каждый из которых включен на выходе соответствующего усилителя мощности и выходом подключен к инвертирующему входу этого же усилителя мощности, введен цифровой блок определения максимума отношения момента к току, выполненный с возможностью реализации алгоритма, при( веденного в описании, выходы упомянутых аналого-цифровых преобразователей связаны с входами цифрового блока, а его выходы — с управляющими входами усилителей мощности.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для настройки моментного вентильного электродвигателя МВД; на фиг,2 показаны циклограммы вариации фазных токов МВД и обработки данных микропроцессорной системой; на фиг.3 представлены графики фазных токов МВД на первом-третьем этапах настройки, Устройство для настройки моментного вентильного электродвигателя по фиг.1, выполненного на базе синхронной электрической машины 1 с фазами 2, 3 обмотки якоря и ротором-индуктором 4, имеет усилители мощности 5, 6, датчики 7, 8 тока, датчики 9 угла, 10 момента, вспомогательный электродвигатель 11, цифроаналоговые преобразователи 12, 13, аналого-цифровые преобразователи 14, 15, микропроцессор

16, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 17, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 18, контроллеры 19 — 25, магистраль 26. Ротор-индуктор 4 механически связан с ротором вспомогательного электродвигателя 11, а также с роторами датчиков 9 угла л, 10 момента, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 14, 15 и контроллеры 21, 22 подключены к магистрали 26, Микропроцессор 16, ПЗУ 17 и ОЗУ 18 подключены через контроллеры 23 — 25 к магистрали 26, которая через контроллеры 19, 20 и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 12, 13 подключена к входам усилителей 5, 6 мощности. Их выходы подключены к фазам 2, 3 обмотки якоря через входы датчиков 7, 8 тока, выходы которых подключены к вторым инвертирующим входам усилителей 5, 6 мощности.

ЦАП 12, 13 и элементы 16-26 образуют цифровой блок определения максимума оТношения момента к току.

Устройство работает следующим образом. В ПЗУ хранится программа рэботы микропроцессора 16, начальные значения токов !д, !в, хранящиеся по адресам Ад («

М, A "(Q, М) соответственно, зависящим от значения угла поворота ротора «и требуемого электромагнитного момента М; минимальные ао, Мо и максимальные а, М„, значения а, М; шаги AQ, Л М их измен ения, количество итераций настройки im, приращение тока Л!. Адреса Ад . Ав могут опреп п деляться формулами:

Ад (а, М) ==Вдп + о„.М!+ а!; и п

Ав (а, М)=Вв +и Mi + аt, и и и где ВА, Вв — базовые адреса;

n< — количество различных значении «в цифровой форме;

М!, a! — значения М, а, представленные в условных единицах измерения пм, п целыми числами, Например и =2", где n — число разрядов угла а, Йа=п =2л/2"; ЛМ= пу =Мгп-Мо/(2" -1) где m — целое число.

Из ПЗУ считываются начальные =-начения фазных токов ip,, !в, соответству ощие значениям a = =а,, (xo + Ьа. а,2 Ла „, «„, и M=Mp>Mp+ LVA. Mp+2 ЛМ,... Mm и записываются в ОЗУ по адресам Ад (а, M), Ав (а.

M) по п.1,2 алгоритма:

Алгоритм

° 1, Ввод lд из ПЗУ по адресу Ад (а, М) и вывод в ОЗУ по адресу Ад (а, M)

2. Ввод !в из ПЗУ по адресу Ав (a, М) и вывод в ОЗУ по адресу Ав" (а, M) !пл. I,2 выполняются для а= ао, ао + Ь«,... «„;

М=М., М.+ ЛМ....,М,.} (3. Ввод ас, ап,hа из ПЗУ и вывод!3

ОЗУ

4. Ввод Mp, Mm, ЛМ из ПЗУ и вь,вод в

ОЗУ

5. Ввод

6. Ввод Ь (в рабочий регистр)

7 М=Мо

8. l=0

9. K=0

10.а= ао

11. Ввод !д из ОЗУ по адресу AA («, М}

12, Если К=1, то iA=-!д + hi

13. Вывод !д на ЦАП 12

14. Ввод !в из ОЗУ по адресу Ав (сс M)

15. Если К=2, то !в=!в+ Ь!

16. Вывод !в на ЦАП 13

17. Ввод а из АЦП 14

18. Если а а, то идти к 17

19. Ввод M из АЦП 15

1774454

20. Вывод М в ОЗУ по адресу Ам(а, К)

21. а=- а+ Л а

22. Если а а, то идти к 11

23. К=К+1

24, Если К<3, то идти к 10

25,а= а, 26, dA =(М(а,1)-М(а,О))/Л I

27. de =(M(e2) M(ao)))AI

28, 9=de +dB

29. А =(М вЂ” М(а,О)+с!д!д+бв!в)/g

30. !д= д, dA

31. Вывод IA, в 03У по адресу Ад (а, М)

32.!в— " de

33. Вывод !в е 03У по адресу Ав (а, М)

34, а=а+ Ла

35, Если а am, то идти к 26

36. I=I+1

37. Если 1<1m, то идти к 9

38. M=M+ ЛМ

39. Если М < Mm, то идти к 8

40. Конец

Затем из ПЗУ и ОЗУ вводятся значения

ao ° am 4a Mo ° Mm ° Mo. Mm, ЛМ. Imn Л! (пп.3 — 6). Моменту М присваивается начальное значение М (п,7), Часть алгоритма с п.8 по п.37 соответствует настройке при фиксированном значении требуемого электромагнитного момента. Такая настройка имеет Im итераций (I=0,1,...,!и) — 1), Каждая итерация соответствует и п.9-35, Каждая итерация настройки состоит из четырех этапов, при которых К = 0,1,2,3.

Трем первым этапам соответствуют пп.9—

24, а четвертому этапу — пп.25-35 алгоритма. В течение каждого из трех первых .этапов ротор настраиваемого МВД совершает один оборот, а за четвертый этап— один или несколько оборотов.

В пп.8 — 10 присваиваются начальные значения!=О, К=О, а= àp. В рабочий регистр микропроцессора вводятся из ОЗУ значения IA и !в по адресам Ад (а, M), Ав (a, М).

Если K=O, то они не варьируются (фиг.З,а).

Если К=1, то к значению IA прибавляется Л! (фиг,3, б). Если К=2, то к значению !в прибавляется Л (фиг:3, в). Значение !д выводится в регистр ЦАП 12, а значение !в — в регистр

ЦАП 13.

Цифроаналоговые преобразователи 12, 13 преобразуют цифровые коды IA, !в в аналоговые сигналы, поступа!ощие на входы усилителей 5, 6 мощности. Они питаютл синусную 2 и косинусную 3 фазы обмотки якоря синхронной электрической машины токами !д=! д, !в=!в с помощью датчиков 7, о, о

8 тока, Электрическая машина развивает момент М, измеряемый датчиком 10 момен.та, его выходной сигнал поступает ))a вход

15

АЦП 15, на выходном регистре которого формируется цифровой код М.

Вспомогательный электродвигатель 11 вращает ротор-индуктор 4 электрической машины 1 с постоянной частотой (строгое постоянство частоты не требуется). Датчик

9 угла вырабатывает сигнал а, поступающий на вход АЦП 14, на выходном регистре которого формируется цифровой код а.

Микропроцессор вводит а с выхода АЦП 14 и сравнивает его с а(пп.17, 18). Опрос продолжается до момента совпадения а с вычисленным значением а, когда цифровой код M с выхода АЦП 15 вводится в рабочий регистр микропроцессора 16 и записывается в 03У по адресу AM (а, K)(K=0,1,2) (пп.19, 20).

Далее величина а получает приращение Ла (п.21 алгоритма), проверяется принадлежность а к интервалу (ap, am) (п.22) и повторяется чтение iA, !в, при необходимости их вариация и т.д. (п,11 — 22). Когда величина а превышает am, переменная К увеличивается на единицу (п.23 алгоритма) и, если К<3, начинается следующий этап. т,е. переход к п,10.

После трех этапов по адресам Ам (а, О), Ам (а, 1), Ам (а,2) в ОЗУ будут записаны значения электромагнитного момента М приуглах а= а,, а, +Ла,... а„исоответственно при неварьированных токах !д, !в при вариации на Лi тока iA и при вариации на Лi тока !в (фиг.3а,,б, в), Теперь на четвертом этапе вычисляются

35 частные производные 3М/ !дЯМ/Яв (пп.26.

27 алгоритма), квадрат g модуля вектора градиента и множитель Лангража Л(пп.28, 29), вычисля ются скор ректи рован н ые значения !д, !в и выводятся в ОЗУ по адресам Ад

40 (а,M), Ав (а, М) (пп.30-33 алгоритма). Эти операции выполняются для a-- а0, а0 +

+ Ла,..., am, Четвертый этап может длиться в течение одного или нескольких оборотов электродвигателя в зависимости от быстродействия микропроцессора.

При фиксированном значении М первый-четвертый этапы выполняются lm раз, после чего требуемый элекромагнитный момент М получает приращение ЛМ (п,38 алгоритма) и настройка продолжается, пока не будет достигнуто значение M>Mm (п.39 алгоритма).

По окончании настройки в ОЗУ по адресам Ад (а, М), Ав (а,М) будут записаны значения оптимальных токов !д,!в соответствующие углам а0,ap + Ла„„, Qm u моментам М, М0+ ЛМ,.„, Mm, которые могут быть переписаны в отдельное ПЗУ, при10

1774454

a) и6 лагаемое к испытуемому МВД для совместной работы при эксплуатации.

Формулы ,о аМ ..0ЛдМ

3 IA Я!В (1)

М-М+!А амит!А+! амй!в (2) (BMt iA) +(аММ!в) (пп.26 — 30, 32 алгоритма) следуют из решения следующей задачи.

При токах IA, !в синхронная электриче. ская машина развивает момент M. Известны частные производные ЭМ/д!А, ЭМ,в!Б, принимаемые постоянными в малой окресто о ности токи(!А, IB), Найти новые значения IA п, при которых электромагнитный момент имеет требуемое значение М, а мощность электрических потерь в обмотке якоря минимальна. Эта задача выражается соотношениями:!

А +!ц мин (4)

Функция Лангража и условия. ее стационарности имеют вид:

V (!А +Ia ) Л(М+ х (!А — !А) +gl (!В !В )™ 2;

BV p BM

=iA -Л вЂ” =0, В! О д!А

BV о ЛдМ д! 0 =В откуда следуют равенства (1). Подставляя выражения (1) в условие (3), получаем

М +(! ) Л вЂ” =Ii (А +

ЗМ 2 BM

+(—,) Л вЂ” —.!в =М.

dM z BM д!в Ble откуда следует равенство (2).

Таким образом, благодаря введению цифрового блока определения максимума отношения момента к току в виде микропро5 цессорной системы с ПЗУ и цифроаналоговыми преобразователями получено устройство для быстрой настройки MBll.

Формула изобретения

Устройство для настройки моментного вентильного электродвигателя, выполненного на базе двухфазной синхронной маши15 ны с обмоткой якоря и ротором-индуктором, содержащее электродвигатель для привода синхронной машины, датчик угла и датчик момента для установки на вал синхронной машины, усилители мощности с выхсдами

20 для подключения к фазам обмотки якоря, два аналого-цифровых г реобразователя, входы которых подключены соответственно к выходам датчика угла и датчика момента. датчика тока, каждый из которых включен на

25 выходе соответствующего усилителя мощности и выходом подключен к инвертирующему входу этого же усилителя мощности, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения времени настройки путем непре30 рывной записи и обработки информации о моменте и токах в функции угла пово!.от, введен цифровой блок определения максимума отношения момента к току, выполненный с возможностью реализ ции

35 алгоритма, указанного в описании. выходы аналого-цифровых преобразователей заны с входами цифрового блока, а е(о выходы — с управляющими вхо 1ами усилителей мощности. лл

1774454

Составитель А, Афанасьев

Техред M.Moðãåíòàë Корректор С, Патрушева

Редактор

Произвпдсгченн.,>зда1» ьскlll1 > омбинат "Патент", . У, г. жгород, yl.Ã эгарин;> 1t31

Заказ 3933 Тираж

ВНИИПИ Гос, г

Подписное осударсгвенносо комитета по изобретениям и открыгиям при ГКНТ СССР

11 ">()35. 41осква, Ж-35, Раушская наб., 4/5