Многодвигательный привод поворотной платформы

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих системах регулирования. Техническим результатом является повышение плавности вращения платформы (и нагрузки) и расширение полосы пропускания привода. Многодвигательный привод поворотной платформы содержит n равномерно размещенных по периметру платформы идентичных двигателей, каждый из которых снабжен m-фазными датчиками положения ротора и скорости его вращения, а также блок управления. При этом роторы (или статоры) смежно расположенных двигателей развернуты в пространстве одинаково (по или против часовой стрелки) на угол обеспечивающий сдвиг фаз выходных напряжений указанных датчиков на электрический угол радиан. 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах регулирования.

Известны приводы поворотных устройств, содержащие блоки управления и электродвигатели [1], недостатком которых является сложность и громоздкость конструкции двигателей при использовании их в приводах поворотных платформ [2].

Наиболее близким к предлагаемому решению является многодвигательный привод поворотной платформы, содержащий n равномерно размещенных по периметру платформы идентичных двигателей, снабженных m-фазными датчиками положения ротора и скорости вращения, а также блок управления [3].

Недостатком такого привода является ограниченная плавность вращения (в основном вызванная несинусоидальностью токов статора), особенно при использовании дискретных (или аналоговых, но с дискретным выходом [3]) датчиков положения ротора, а также большая постоянная времени сглаживающего фильтра на выходе датчика скорости, ограничивающая полосу пропускания привода.

Технический результат данного предложения заключается в повышении плавности вращения платформы и расширении полосы пропускания. Указанный технический результат достигается путем уменьшения пульсации тока в обмотках двигателей и уменьшения пульсации на выходе датчика скорости. Для этого в известном многодвигательном приводе поворотной платформы, содержащем n равномерно размещенных по периметру платформы идентичных двигателей, снабженных m-фазными датчиками положения ротора и скорости его вращения, согласно изобретению роторы или статоры смежно расположенных двигателей развернуты в пространстве одинаково на угол , обеспечивающий сдвиг фаз указанных датчиков на электрический угол радиан, где n - число двигателей, Z - число зубцов магнитопроводов двигателей, m - число фаз датчиков положения ротора.

На фиг. 1 показано (условно) размещение двигателей многодвигательного привода на платформе. На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого привода. На фиг. 3 приведена электрическая схема одной фазы трехфазного усилителя мощности с формирователем управляющих сигналов на входе. На фиг. 4 показана схема датчика скорости с фильтром на входе.

Привод содержит четыре (в общем случае) n идентичных исполнительных двигателя 1-4 (фиг. 1), размещенных равномерно по периметру платформы, в центре которой по оси ее вращения расположена нагрузка 5 (например, теодолит [2]). Обмотки двигателей соединены последовательно с целью равномерного распределения нагрузки по всем двигателям.

Собственно привод выполнен с моментным способом управления [3], при котором входному сигналу соответствует момент двигателя, в данном случае суммарный момент четырех двигателей. В качестве двигателей обычно используют асинхронные двигатели с зубцовым шагом обмотки, а в качестве датчика положения ротора - набор датчиков Холла (ДХ), размещенных на зубцах двигателя [3]. В данном случае каждый двигатель снабжен тремя (по числу фаз m) ДХ, которые размещаются, как правило, на трех соседних зубцах магнитопровода. Статоры (или роторы) двигателей развернуты в пространстве на некоторый угол Δβ, например, по часовой стрелке. Поэтому по отношению к первому второй двигатель развернут на угол Δβ, третий - на угол 2Δβ, а четвертый - на угол 3Δβ. В том случае, когда ДХ расположены на трех соседних зубцах (что бывает не всегда), то угол , где Z - число зубцов статора двигателя, например, с зубцовым шагом обмотки, при этом электрический угол радиан. В качестве измерителя скорости вращения двигателя используют тахометрические обмотки, размещенные на зубцах с ДХ.

Управление двигателями осуществляется от блока управления, содержащего кроме электронных устройств еще и блок питания. Структурная схема привода показана на фиг. 2.

Она содержит исполнительный двигатель 1 (равный по мощности четырем двигателям реального привода), датчик положения ротора 6 на N=n⋅m=12 ДХ, измеритель скорости вращения 7 на двенадцати секциях тахометрических обмоток, усилитель мощности 8 с формирователем управляющих сигналов 9 на входе, преобразователь напряжения 10 измерителя скорости 7 в реверсивный сигнал постоянного тока с фильтром 11 на выходе, а также входное устройство 12. Кроме того, в схему входят силовой редуктор 13, нагрузка 5, приборный редуктор 14 и датчик угла 15, являющийся датчиком главной обратной связи.

Усилитель мощности 8 (фиг. 3) в моментных приводах выполняется как регулятор тока, для чего охватывается отрицательной обратной связью по току с помощью трансформатора тока 16. Управление усилителем мощности осуществляется от формирователя управляющих сигналов 9, задающего величину и форму кривой статорного тока двигателей. Формирователь 9 построен на n⋅m резистивно-ключевых схемах [3], ключи которых управляются сигналами ДХ фиг. 3, где величина n⋅m выбрана равной 4⋅3=12. Суммарный сигнал указанных схем и являются сигналом управления i_y усилителя мощности. Поскольку выходные сигналы ДХ сдвинуты по фазе на угол , то форма сигнала i_y и статорного тока двигателя будет иметь вид квазисинусоидальной ступенчатой кривой с n⋅m ступенями в полупериоде (см. фиг. 3).

При такой форме тока и синусоидальной форме потока выражение для момента имеет вид [3]:

При этом размах пульсации момента определяется формулой:

Для рассматриваемого случая, когда n=4, m=3, величина ΔM`=0,85%.

Аналогичным способом построен и преобразователь напряжения 10 измерителя скорости вращения 7, совокупность которых и образуют датчик скорости ДС.

На фиг. 4 показана схема ДС с фильтром 11 на выходе. Преобразователь 10 построен как синхронный детектор (выпрямитель) выходных напряжений n⋅m секции тахометрических обмоток двигателей и содержит n⋅m (12) резисторно-ключевых схем, управляемых сигналами ДХ. Выходным сигналом ДС является суммарный ток i_ДС n⋅m резисторно-ключевых схем, выражение для которого имеет вид [3]:

а размах пульсации скорости будет определяться формулой:

На фиг. 4 приведена форма выходного сигнала, где i_ДС значения n⋅m=12. При необходимости уменьшить величину Δi_ДС на выходе преобразователя 10 можно включить фильтр 11 на операционном усилителе, как показано на фиг. 4.

Входное устройство 12 (фиг. 2) содержит два узла сравнения, на которые подаются: сигнал задания U_α1, сигнал U_α2 с выхода датчика угла 15 и сигнал датчика скорости U_Ω с выхода фильтра 11. Кроме того, входное устройство содержит усилители, формирующие напряжения ±U_y (фиг. 3) для формирователей управляющих сигналов 9.

Привод работает следующим образом. При подаче на вход привода сигнала задания U_α1 входное устройство вырабатывает на выходе напряжения ± U_с для подачи на вход формирователя управляющих сигналов. Последний вырабатывает ток управления i_y, обеспечивая необходимую величину выходного тока усилителя мощности. Следствием этого является образование момента на валу двигателя (или двигателей). Если величина ΔU_Ω=U_α1-U_α1-U_αΩ оказывается положительной, привод начинает набирать обороты, а если отрицательной, то привод начинает тормозиться с последующим реверсом при отрицательном значении величины U_α1.

Таким образом, предложенный многодвигательный (четырехдвигательный в данном случае) привод обеспечивает более высокую плавность вращения (пульсация момента и выходного напряжения датчика скорости уменьшена в 16 раз по сравнению с многодвигательным приводом без разворота статоров ИД при увеличении частоты пульсации в 4 раза). Последнее, в частности, дает возможность уменьшить постоянную времени фильтра, расширив тем самым полосу пропускания привода.

Источники информации

1. A.c. СССР №978242. Привод опорно-поворотного устройства. Б.Н. Каржавов, В.Н. Бродовский, Ю.П. Рыбкин и др. Б 1982 г. №44.

2. Высокоточные системы управления и приводы для вооружения и военной техники / Под редакцией В.Л. Солупина. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999 г.

3. Баранов М.В., Бродовский В.Н., Зимин А.В., Каржавов Б.Н. Электрические следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2006 г.

Многодвигательный привод поворотной платформы, содержащий n равномерно размещенных по периметру платформы идентичных двигателей, снабженных m-фазными датчиками положения ротора и скорости его вращения, отличающийся тем, что роторы или статоры смежно расположенных двигателей развернуты в пространстве одинаково на угол , обеспечивающий сдвиг фаз указанных датчиков на электрический угол радиан, где n - число двигателей, Z - число зубцов магнитопроводов двигателей, m - число фаз датчиков положения ротора.