Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в любой следящей системе с вентильным двигателем. Техническим результатом является получение характеристик, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, путем аналитического конструирования оптимального по точности регулятора угла поворота вала вентильного двигателя. В способе управления вентильным двигателем трехфазное напряжение питания формируют из знака разности сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя. Сигнал управления формируют путем вычитания из сигнала задания по углу сигнала обратной связи по скорости и сигнала обратной связи по углу. Следящая система с вентильным двигателем содержит модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный сумматор, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель и дополнительно введены редуктор с датчиком угла и датчик скорости синхронного двигателя, сумматор с одним суммирующим и двумя вычитающими входами, соединенные с элементами следящей системы так, как указано в формуле изобретения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к управляемым электрическим двигателям, в частности к классу вентильных двигателей (бесколлекторных двигателей постоянного тока - БДПТ), и может найти применение вместо коллекторного двигателя постоянного тока, например, в следящих системах автоматического управления и регулирования.

Известны способы управления вентильным двигателем, основанные на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону [В.А.Головацкий и др. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых схемах. В кн. Электронная техника в автоматике. Сборник статей под ред. Ю.И.Конева. Выпуск 4. М., 1973, стр.34-37].

Такой способ управления позволяет устранить указанные недостатки, обеспечивая плавное и широкое регулирование скорости вентильного двигателя, малые пульсации момента и высокий кпд. Однако статические и динамические характеристики вентильного двигателя при таком способе управления существенно отличаются от характеристик коллекторного двигателя постоянного тока [В.Н.Крывой и др. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. Информэлектро. М., 1970, стр.5-8], что является недостатком известного способа.

Из известных способов управления вентильным двигателем наиболее близким по технической сущности является способ, который выбран в качестве прототипа для заявляемого способа. Данный способ заключается в том, что при преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора синхронного двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания синхронного двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазное напряжение питания синхронного двигателя формируется из знака разности сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя [Патент РФ №2354036. Сухинин Б.В., Сурков В.В., Егоров А.Ю., Домнин А.Н., Сурков А.В. Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления].

Такой способ управления позволяет обеспечить плавное и широкое регулирование скорости вентильного двигателя, малые пульсации момента и высокий кпд. Статические и динамические характеристики при таком способе управления полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Однако при таком способе управления угол поворота вала вентильного двигателя отрабатывается при таком способе управления не оптимально по точности.

Известны схемы вентильных двигателей, содержащие трехфазный синхронный двигатель, подключенный к выходу трехфазного преобразователя, среднее значение выходного напряжения которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, обмотка возбуждения которого соединена с выходом модулятора, на вход модулятора подается напряжение управления, выход трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя подключен к входу трехфазного демодулятора, а выход трехфазного демодулятора соединен со входом трехфазного преобразователя [В.А.Головацкий и др. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых схемах. В кн. Электронная техника в автоматике. Сборник статей под ред. Ю.И.Конева. Выпуск 4. М., 1973, стр.34-37].

Такой вентильный двигатель позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить плавное и широкое регулирование скорости, малые пульсации момента и высокий кпд. Однако его статические и динамические характеристики при такой известной схеме существенно отличаются от характеристик коллекторного двигателя постоянного тока [В.Н.Крывой и др. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. Информэлектро. М., 1970, стр.5-8], что является недостатком известного вентильного двигателя.

Из известных вентильных двигателей наиболее близким по технической сущности является вентильный двигатель, который выбран в качестве прототипа для заявляемого устройства. Следящая система содержит последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный преобразователь, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, так же трехфазное реле, трехфазный датчик тока синхронного двигателя и трехфазный сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом трехфазного демодулятора, а вычитающий вход - с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, выход трехфазного сумматора соединен с входом трехфазного реле, выход трехфазного реле соединен с входом трехфазного преобразователя, выход которого соединен с токовым входом трехфазного датчика тока, а токовый выход трехфазного датчика тока соединен с синхронным двигателем [Патент №2354036. Сухинин Б.В., Сурков В.В., Егоров А.Ю., Домнин А.Н., Сурков А.В. Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления].

Такой вентильный двигатель позволяет обеспечить плавное и широкое регулирование скорости вращения вала, малые пульсации момента и высокий кпд. Статические и динамические характеристики при такой схеме управления полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Однако при таком схеме управления угол поворота вала вентильного двигателя отрабатывается при таком способе управления не оптимально по точности.

Технической задачей настоящего изобретения является получение характеристик вентильного двигателя, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, путем аналитического конструирования оптимального по точности регулятора угла поворота вала вентильного двигателя.

Данная задача решается тем, что в известном способе управления вентильным двигателем, основанным на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазное напряжение питания формируют из знака разности сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя, причем сигнал управления формируют путем вычитания из сигнала задания по углу сигнала обратной связи по скорости и сигнала обратной связи по углу.

Данный способ может быть использован в любой следящей системе с вентильным двигателем вместо коллекторного двигателя постоянного тока.

Для пояснения способа воспользуемся уравнениями Горева-Парка в координатах d, q [A.A.Горев. Переходные процессы синхронной машины. М.: ГЭИ, 1950] для синхронного двигателя при токе возбуждения I_f=const, дополненные уравнением редуктора:

где υ - угол поворота ротора синхронного двигателя, ,

ρ=120° - угол сдвига осей фазных обмоток относительно друг друга,

R - активное сопротивление обмотки статора двигателя,

L - коэффициент индукции по продольной оси двигателя,

λ - коэффициент явнополюсности,

J - момент инерции вращающихся масс,

M - коэффициент взаимоиндукции между обмотками статора и ротора,

m_эм - электромагнитный момент вращения вала двигателя,

m_н - момент нагрузки на валу двигателя,

k_p - коэффициент передачи редуктора,

φ - угол поворота выходного вала редуктора.

Из уравнений (1) следует, что синхронный двигатель представляет собой объект регулирования с двумя управляющими воздействиями: u_d и u_q. Воспользовавшись теорией аналитического конструирования регуляторов А.А.Красовского [Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 558 с.] или более простой в использовании, изложенной в [В.В.Сурков, Б.В.Сухинин и др. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 300 с.], запишем оптимальный по точности и одновременно оптимальный по быстродействию закон управления для регулятора тока i_d и оптимальный по точности закон управления для регулятора угла φ при m_н=0 и θ=0:

где U_m - напряжение питания преобразователя,

i_dзад, ω_зад или u_dзад=k₂·k·i_dзад, u_φзад=k₂·φ_зад - заданные значения сигналов управления для регулятора тока i_d и φ соответственно;

k₂ - коэффициент пропорциональности, k₂>0,

u_qзад=u_φзад-k₂·φ-k₂·k₃·ω.

Переменные в координатах d, q выражаются через переменные в реальных координатах А, В, С посредством соотношений (2), (3). Например, фиктивным токам i_d, i_q соответствуют реальные фазные токи i_A, i_B i_C.

Воспользовавшись соотношениями (2), (3), найдем, что разностям u_dзaд-k₂·k·i_d и u_qзaд-k₂·k·i_q соответствуют разности u_Aзад-k₂·k·i_A, u_Bзад-k₂·k·i_B, u_Cзад-k₂·k·i_C каждой фазы двигателя и оптимальным управлениям (4), (5) в координатах d, q соответствуют фазные управления

Здесь

Из формул (6)-(8) следует, что рассматриваемый способ требует трехфазного реле, трехфазного датчика тока двигателя и трехфазного задатчика напряжения (датчика положения ротора), с помощью которого формируется сигнал оптимального по точности управления углом поворота вала вентильного двигателя.

Предлагаемый способ реализуется в следящей системе с вентильным двигателем, содержащей последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный сумматор, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя. Суммирующий вход трехфазного сумматора соединен с выходом трехфазного демодулятора, а вычитающий вход - с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, выход трехфазного сумматора соединен с входом трехфазного реле, выход трехфазного реле соединен с входом трехфазного преобразователя, выход которого соединен с токовым входом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, а токовый выход трехфазного датчика тока синхронного двигателя соединен с синхронным двигателем. В следящую систему дополнительно введены редуктор с датчиком угла, датчик скорости синхронного двигателя, роторы которых механически соединены с валом синхронного двигателя, и сумматор с одним суммирующим и двумя вычитающими входами. Вход модулятора соединен с выходом сумматора с тремя входами. Первый вычитающий вход этого сумматора соединен с выходом датчика скорости синхронного двигателя, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика угла синхронного двигателя, а суммирующий вход является входом управления вентильного двигателя по углу поворота.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема следящей системы, реализующей способ оптимального по точности управления углом поворота вала вентильного двигателя.

Система содержит последовательно соединенные сумматор 1 с одним суммирующим и двумя вычитающими входами, модулятор 2, выход которого соединен со входом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 3, сигнал с которого поступает на трехфазный демодулятор 4, выход трехфазного демодулятора соединен с первым суммирующим входом трехфазного сумматора 5, результирующий сигнал с выхода трехфазного сумматора поступает на трехфазное реле 6, выход реле подключен ко входу трехфазного преобразователя 7, выход трехфазного преобразователя соединен со входом трехфазного датчика тока синхронного двигателя 8, его токовый выход соединен со входом трехфазного синхронного двигателя 9, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 3, с валом датчика скорости синхронного двигателя 10 и через редуктор 11 с валом датчика угла синхронного двигателя 12, второй вычитающий вход трехфазного сумматора 5 соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя 8, выход датчика скорости синхронного двигателя 10 соединен с первым вычитающим входом сумматора 1, выход датчика угла синхронного двигателя 12 соединен со вторым вычитающим входом сумматора 1.

Система работает следующим образом. Напряжение задания по углу U_φзад (сигнал управления) подается на суммирующий вход сумматора 1, на первый вычитающий вход сумматора 1 подается напряжение, пропорциональное скорости вращения датчика скорости синхронного двигателя (k₂·k₃·ω), например тахогенератора 10, на второй вычитающий вход сумматора 1 подается напряжение, пропорциональное углу поворота датчика угла поворота ротора синхронного двигателя 12 (k₂·φ). Ротор синхронного двигателя 9 механически соединен с ротором датчика скорости 10 и через редуктор 11 - с ротором датчика угла синхронного двигателя 12. На выходе сумматора 1 появляется напряжение U_вх=U_φзад-k₂·φ-k₂·k₃·ω, которое преобразуется модулятором 2 в напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (500-20000 Гц) с амплитудным значением, равным U_вх, и подается на обмотку возбуждения датчика положения ротора синхронного двигателя 3, например сельсина, ротор которого механически соединен с валом датчика скорости синхронного двигателя 10. Сигнал с обмоток синхронизации сельсина подается на трехфазный демодулятор 4, на выходе которого появляется напряжение задания на оптимальный регулятор:

где k₁ - общий коэффициент преобразования модулятора, датчика положения ротора синхронного двигателя и демодулятора, k₁=1;

υ - угол поворота ротора синхронного двигателя, ;

ω - скорость вращения ротора синхронного двигателя;

θ - угол установки датчика положения ротора синхронного двигателя относительно ротора синхронного двигателя.

Посредством трехфазного сумматора 5 из трехфазного напряжения (10) с выхода демодулятора вычитается трехфазное напряжение, получаемое от трехфазного датчика тока 8, и подается на вход трехфазного реле 6, выходной сигнал которого подается на вход трехфазного преобразователя 7, на выходе трехфазного преобразователя 7 появляется трехфазное напряжение u_A, u_B, u_C, изменяющееся в соответствии с оптимальным законом управления (6)-(9). В качестве трехфазного преобразователя в схеме используется, например, трехфазный мост из шести транзисторов (тиристоров), которые работают в ключевом режиме.

Воспользовавшись соотношениями (2), (3), (9), найдем u_dзад и u_qзад регуляторов (4) и (5), соответствующие заданиям (10):

При этом оптимальные управления (4), (5) примут вид:

Из (13) следует, что при установке датчика положения ротора в нулевое положение (θ=0) регулятор тока i_d стабилизирует ток i_d на нулевом уровне оптимально по быстродействию и поддерживает его оптимально по точности так, что i_d=0. При этом уравнения (6)-(8) с учетом (9), (10) при θ=0 приводятся к виду:

По уравнениям (15) построена структурная схема (см. фиг.1).

Уравнения (1) с учетом (13), (14) при θ=0 и k₁=1 преобразуются к

виду:

Полученные уравнения приводят к следующим выводам. Во-первых, дифференциальные уравнения (16) полностью аналогичны дифференциальным уравнениям коллекторного двигателя постоянного тока. Следовательно, и статические и динамические характеристики при управлении вентильным двигателем по предлагаемому способу полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Во-вторых, из уравнения (17) следует, что при таком способе управления вентильным двигателем он приобретает дополнительно свойства оптимального по точности отработки угла поворота ротора.

Точность работы современных систем автоматического регулирования обычно ограничивается ошибкой системы. Предлагаемый способ позволяет свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет их функциональные возможности.

1. Способ управления вентильным двигателем, основанный на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазное напряжение питания формируют из знака разности сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя, отличающийся тем, что сигнал управления формируют путем вычитания из сигнала задания по углу сигнала обратной связи по скорости и сигнала обратной связи по углу.

2. Следящая система с вентильным двигателем, содержащая последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный сумматор, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены редуктор с датчиком угла и датчик скорости синхронного двигателя, роторы которых механически соединены с валом синхронного двигателя, сумматор с одним суммирующим и двумя вычитающими входами, вход модулятора соединен с выходом сумматора с тремя входами, первый вычитающий вход которого соединен с выходом датчика скорости синхронного двигателя, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика угла синхронного двигателя, а суммирующий вход является входом управления вентильного двигателя по углу поворота.