Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора

 

Изобретение относится к автоматизированным системам регулирования с цифровым управлением и может быть использовано в магнитостроении при создании роторных механизмов на электромагнитных опорах. Технический результат заключается в возможности управления электромагнитным подвесом ротора по одной оси. Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора содержит пять регистров, пять сумматоров, мультиплексор с запоминанием, два блока с ограничением, триггер знака, два генератора прямоугольных импульсов, блок синхронизации. Управление электромагнитным подвесом ротора осуществляется по одной оси с высоким быстродействием, при этом точность управления определяется точностью датчика положения ротора, который выдает сигнал на вход цифрового регулятора. 6 ил.

Изобретение относится к автоматизированным системам регулирования с цифровым управлением и может найти применение в машиностроении при создании роторных механизмов на электромагнитных опорах.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (см. а. с. СССР 1649501, опубл. в БИ 18, 1991 г.), содержащий тактовый генератор, блок управления, четыре регистра и три сумматора.

Недостатком наиболее близкого цифрового регулятора является то, что один такой регулятор не может решить задачи управления какой-либо координатой электромагнитного подвеса ротора.

Сущность изобретения заключается в том, что в цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора, содержащий первый, второй, третий и четвертый регистры, первый, второй и третий сумматоры, первый генератор 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, выход первого сумматора соединен с первым входом второго регистра, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, выход второго сумматора соединен с первым входом третьего регистра, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с вторым входом блока синхронизации, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с вторыми входами первого, второго и третьего регистров, дополнительно введены пятый регистр, четвертый и пятый сумматоры, мультиплексор с запоминанием, триггер знака, первый и второй блоки ограничения и второй генератор прямоугольных импульсов, причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с третьим входом блока синхронизации, выход третьего регистра соединен с первым входом четвертого регистра, инверсный выход которого соединен с первыми входами пятого регистра и третьего сумматора, выход третьего регистра соединен с первыми входами четвертого и пятого сумматоров, инверсный выход пятого регистра соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход второго регистра соединен с первым входом первого блока ограничения, старший разряд выхода первого регистра соединен с вторым входом первого блока ограничения, выход которого соединен с четвертым входом блока синхронизации, выход четвертого сумматора соединен с вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен с первым входом мультиплексора с запоминанием и входом второго блока ограничения, старший разряд выхода пятого сумматора соединен с первым входом триггера знака, первый и второй выходы второго блока ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами мультиплексора с запоминанием, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторым входами четвертого и пятого регистров, четвертым входом мультиплексора с запоминанием и вторым входом триггера знака, выходы мультиплексора с запоминанием и триггера знака являются выходом цифрового регулятора.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет осуществлять цифровое управление электромагнитным подвесом ротора по одной оси.

На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового регулятора для системы управления электромагнитным подвесом ротора; на фиг.2 - функциональная схема первого блока ограничения; на фиг.3 - функциональная схема второго блока ограничения; на фиг.4 - функциональная схема блока синхронизации; на фиг. 5 - структурная схема цифровой системы управления электромагнитным подвесом ротора; на фиг. 6 - график переходного процесса в системе управления электромагнитным подвесом ротора с предложенным цифровым регулятором.

Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора (фиг. 1) содержит регистры 1, 2, 3, 4 и 5, сумматоры 6, 7, 8, 9 и 10, мультиплексор с запоминанием 11, триггер 12 знака, блоки 13 и 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. Выход регистра 1 соединен с первыми входами сумматоров 6 и 7. Выход сумматора 6 соединен с первым входом регистра 2, выход которого соединен с вторыми входами сумматоров 6 и 7. Выход сумматора 7 соединен с первым входом регистра 3. Выход генератора 15 прямоугольных импульсов соединен с вторым входом блока 17 синхронизации, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с вторыми входами регистров 1, 2 и 3. Выход генератора 16 прямоугольных импульсов соединен с третьим входом блока 17 синхронизации. Выход регистра 3 соединен с первым входом регистра 4, инверсный выход которого соединен с первыми входами регистра 5 и сумматора 8. Выход регистра 3 соединен с первыми входами сумматоров 9 и 10. Инверсный выход регистра 5 соединен с вторым входом сумматора 8, выход которого соединен с вторым входом сумматора 9. Выход регистра 2 соединен с первым входом блока 13 ограничения. Старший разряд выхода первого регистра соединен с вторым входом блока 13 ограничения, выход которого соединен с четвертым входом блока 17 синхронизации. Выход сумматора 9 соединен с вторым входом сумматора 10, выход которого соединен с первым входом мультиплексора с запоминанием 11 и входом блока 14 ограничения. Старший разряд выхода сумматора 10 соединен с первым входом триггера 12 знака. Первый и второй выходы блока 14 ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами мультиплексора с запоминанием 11. Четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока 17 синхронизации соединены соответственно с вторыми входами регистров 4 и 5, четвертым входом мультиплексора с запоминанием 11 и вторым входом триггера 12 знака. Входная шина 18 первого входа регистра 1 и вход стробирования 19 первого входа блока 17 синхронизации являются входом цифрового модулятора. Выход 20 мультиплексора с запоминанием 11 и выход 21 триггера 12 знака являются выходом цифрового регулятора.

Основные блоки цифрового регулятора могут быть выполнены, например, на следующих микросхемах: регистры 1, 2, 3, 4 и 5 - К555ТМ8; сумматоры 6, 7, 8, 9 и 10 - К555ИМ6, мультиплексор с запоминанием 11 - К555КП13; триггер 12 знака - К555ТМ2.

Первый блок 13 ограничения (фиг. 2), например, содержит инверторы 22 и 23, элементы И-НЕ 24 и 25, элементы ИЛИ 26, 27 и 28. На вход 29 инвертора 22 подается сигнал со старшего (знакового) разряда выхода регистра 2. Выход инвертора соединен с первыми входами элементов И-НЕ 24 и ИЛИ 27. На вторые входы 30 элементов И-НЕ 24 и ИЛИ 27 подается сигнал с регистра 2 с разряда, определяющего уровень ограничения сигнала на выходе этого регистра. Выход элемента И-НЕ 24 соединен с первым входом элемента ИЛИ 24, выход которого соединен с первым входом элемента И-НЕ 25. На вход 31 инвертора 23 и второй вход элемента ИЛИ 26 подается сигнал со старшего (знакового) разряда выхода регистра 1. Выход элемента ИЛИ 27 соединен с первым входом элемента ИЛИ 28, выход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 25. Выход инвертора 23 соединен с вторым входом элемента ИЛИ 28. Входы 29 и 30 являются первым входом первого блока 13 ограничения, вход 31 - вторым входом этого блока. Выход 32 элемента И-НЕ 25 является выходом блока 13 ограничения.

Второй блок 14 ограничения (фиг. 3), например, содержит инвертор 33, m-входовый элемент И-НЕ 34, m-входовый элемент ИЛИ 35, элементы И 36 и 37, элемент ИЛИ 38. На вход инвертора 33 и первый вход элемента И 36 подается сигнал со старшего (знакового) разряда выхода 39 сумматора 10. В зависимости от значения, на котором должен быть ограничен выходной сигнал цифрового регулятора, m старших разрядов (кроме знакового) подаются на m входов элементов Н-НЕ 34 и ИЛИ 35. Выход элемента И-НЕ 34 соединен с вторым входом элемента И 36. Выход инвертора 33 соединен с первым входом элемента И 37, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 35. Выход элемента И 36 соединен с первым входом элемента ИЛИ 38, второй вход которого соединен с выходом элемента И 37. Выход 40 инвертора 33 является первым выходом блока 14 ограничения, а выход 41 элемента ИЛИ 38 - вторым выходом этого блока.

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.

Блок 17 синхронизации (фиг. 4), например, содержит одновибраторы 42, 43, 44, 45, 46, 47 и 48. Первый вход 49 одновибратора 42 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 42 является первым выходом 53 блока 17 синхронизации. Первый вход 50 одновибратора 43 является вторым входом блока 17 синхронизации и на него подается сигнал с выхода генератора 15 прямоугольных импульсов. Выход одновибратора 43 соединен с вторым входом (входом блокировки) одновибратора 42 и входом одновибратора 44. Инверсный выход одновибратора 44 соединен с первым входом одновибратора 45 и является вторым выходом 54 блока 17 синхронизации. Инверсный выход одновибратора 45 является третьим выходом 55 блока 17 синхронизации. Вход 51 одновибратора 46 является третьим входом блока 17 синхронизации и на него подается сигнал с выхода генератора 16 прямоугольных импульсов. Инверсный выход одновибратора 46 соединен с входом одновибратора 47, прямой выход которого соединен с вторым входом (входом блокировки) одновибратора 45, а инверсный выход - с входом одновибратора 48. Второй вход 52 (вход блокировки) одновибратора 43 является четвертым входом блока 17 синхронизации. Инверсные выходы одновибраторов 47 и 46 являются соответственно четвертым 56 и пятым 57 выходами блока 17 синхронизации, а прямой и инверсный выход одновибратора 48 - шестым 58 и седьмым 59 выходами этого блока.

Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора 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 сумматора 6 и его связей на выходе регистра 2 начинает формироваться цифровой код, изменяющийся во времени по интегральному закону. Величина постоянной времени интегрирования определяется периодом выходного сигнала генератора 15 прямоугольных импульсов, который через блок 17 синхронизации воздействует на второй вход (вход стробирования) регистра 2. Постоянная времени интегрирования определяется также сдвигом выходных разрядов регистра 2 относительно разрядов сумматора 7. При достижении выходным сигналом регистра 2 максимальной величины срабатывает блок 13 ограничения, который блокирует в блоке 17 синхронизации стробирование регистра 2. При этом стробирование регистра 2 может быть продолжено только при смене знака входного сигнала. На выходе сумматора 7 формируется и записывается в регистр 3 разность интегральной составляющей закона регулирования и сигнала с входа регулятора (с выхода датчика положения ротора) и записывается в регистр 3 по сигналу с блока 17 синхронизации. Дальнейшее прохождение сигналов в цифровом регуляторе определяется периодом выходного сигнала генератора 16 прямоугольных импульсов, который через блок 17 синхронизации осуществляет последовательное стробирование регистров 5 и 4 и мультиплексора с запоминанием 11 и триггера 12 знака. При этом на выходе регулятора 20 и 21, т. е. на выходе мультиплексора с запоминанием 11 и триггера 12 знака, формируется цифровой код, пропорциональный собственно разности между интегральной составляющей и входным сигналом и первой и второй производной от этой разности. Таким образом, регистры 4, 5 и 6, сумматоры 8, 9 и 10, а также мультиплексор с ограничением 11 и триггер 12 знака осуществляют закон регулирования, соответствующий форсирующему регулятору второго порядка. Причем постоянная времени форсирующего регулятора второго порядка определяется периодом генератора 16 прямоугольных импульсов и сдвигом выходных разрядов регистра 4 относительно разрядов сумматора 8 и сдвигом выходных разрядов сумматора 9 относительно разрядов сумматора 10. В случае превышения выходным сигналом сумматора 10 определенной величины срабатывает блок 14 ограничения, который в зависимости от знака сигнала подает на второй вход мультиплексора с запоминанием 11 сигнал низкого или высокого уровня, а по третьему его входу производит переключение входов мультиплексора. В результате на выходе цифрового регулятора сигнал изменяется в заданных рамках.

Выходной сигнал цифрового регулятора предназначен для управления силовым преобразователем (например, цифровым широтно-импульсным преобразователем, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов) электромагнитного подвеса ротора по одной оси. Цифровой регулятор будет стремиться свести отклонение ротора от центрального положения к нулю. При этом следует ожидать высокие показатели быстродействия и статической точности цифровой системы управления электромагнитным подвесом ротора.

Действительно, структурную схему системы с предлагаемым цифровым регулятором можно представить следующим образом (фиг. 5).

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 W_oу(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 W_э(р). Цифровой регулятор представлен дискретными передаточными функциями R₁(z), R₂(z) и сравнивающими устройствами, а датчик положения ротора - безынерционным звеном с коэффициентом передачи k_ДП. На структурной схеме x₃(t) - сигнала задания (принципиально равный нулю в системе управления электромагнитным подвесом ротора); x(t) - перемещение ротора в поле электромагнитов.

Дискретная передаточная функция части регулятора, осуществляющей вычисление интеграла как полной суммы для случая, когда выходные разряды регистра 2 сдвинуты относительно разрядов сумматора 7 на 4 разряда (что соответствует делению на 16): Дискретная передаточная функция второй части регулятора с учетом того, например, что выходные разряды регистра 4 сдвинуты на 1 разряд относительно разрядов сумматора 8 (соответствует умножению на 2), а выходные разряды сумматора 9 сдвинуты на 2 разряда относительно разрядов сумматора 10 (соответствует умножению на 4): 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.) где m - масса ротора, приходящаяся на один электромагнитный подшипник; k_F - коэффициент передачи положительной обратной связи по перемещению; k_E -коэффициент передачи обратной связи по ЭДС, k_ЭМ - коэффициент передачи электромагнитов по силе; Т_Э - электромагнитная постоянная времени обмоток электромагнитов; k_ШИМ - коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора; U - опорное напряжение широтно-импульсной модуляции.

Для параметров макета электромагнитного подвеса ротора асинхронного электродвигателя: k_E= 240 Вс/м; k_ЭМ=284 Н; m=7 кг; Т_Э=0.018 с; U=12 В; k_ДП= 1000000 дискрет/м; k_ШИМ=0.001961 1/дискрету; k_F=205060 Н/м, в среде МАТLАВ SIMULINК рассчитан график переходного процесса (фиг. 6). Анализ графика показывает, что время входа в 2% зону составляет 0.23 с.

Таким образом, предложенный цифровой регулятор позволяет управлять одной координатой электромагнитного подвеса ротора с высоким быстродействием, причем точность системы в целом будет определяться только точностью применяемого датчика положения ротора.

Формула изобретения

Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора, содержащий первый, второй, третий и четвертый регистры, первый, второй и третий сумматоры, первый генератор 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, выход первого сумматора соединен с первым входом второго регистра, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, выход второго сумматора соединен с первым входом третьего регистра, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с вторым входом блока синхронизации, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с вторыми входами первого, второго и третьего регистров, отличающийся тем, что в него дополнительно введены пятый регистр, четвертый и пятый сумматоры, мультиплексор с запоминанием, триггер знака, первый и второй блоки ограничения и второй генератор прямоугольных импульсов, причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с третьим входом блока синхронизации, выход третьего регистра соединен с первым входом четвертого регистра, инверсный выход которого соединен с первыми входами пятого регистра и третьего сумматора, выход третьего регистра соединен с первыми входами четвертого и пятого сумматоров, инверсный выход пятого регистра соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход второго регистра соединен с первым входом первого блока ограничения, старший разряд выхода первого регистра соединен с вторым входом первого блока ограничения, выход которого соединен с четвертым входом блока синхронизации, выход четвертого сумматора соединен с вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен с первым входом мультиплексора с запоминанием и входом второго блока ограничения, старший разряд выхода пятого сумматора соединен с первым входом триггера знака, первый и второй выходы второго блока ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами мультиплексора с запоминанием, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторыми входами четвертого и пятого регистров, четвертым входом мультиплексора с запоминанием и вторым входом триггера знака, выходы мультиплексора с запоминанием и триггера знака являются выходом цифрового регулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6