Электропривод с повышенной чувствительностью к отработке малых угловых скоростей вращения

Авторы патента:

H02P27/08 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

H02P21/06 - Устройства для управления или регулирования электродвигателей путем управления ориентацией поля; управление вектором

Владельцы патента RU 2707578:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт командных приборов" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах регулирования для отработки и регулирования задаваемых угловых скоростей вращения объекта управления в широком диапазоне: от тысячных долей градуса в секунду до сотен градусов в секунду. Технический результат заключается в увеличении чувствительности отработки задаваемой угловой скорости вращения объекта управления в режиме низких скоростей вращения без увеличения разрядности датчика углового положения. В электроприводе, состоящем из двигателя, редукторной передачи, датчиков обратной связи, электронного блока и объекта управления, два датчика углового положения размещают по осям вращения объекта управления и ротора исполнительного двигателя и осуществляют интегрирование задаваемых угловых скоростей вращения объекта управления и ротора двигателя, замыкание двух контуров регулирования по осям вращения объекта управления и ротора исполнительного двигателя, вычисление сигналов рассогласования, анализ величины задаваемой угловой скорости вращения объекта управления, фиксирование перехода граничного значения задаваемой угловой скорости вращения объекта управления, выбор контура регулирования, перерасчет текущих значений интегратора задаваемой угловой скорости вращения выбранного контура регулирования, изменение коэффициентов регулирующего устройства. По выходному сигналу регулятора обеспечивают создание двигателем угловой скорости вращения для последующей ее передачи на объект управления. 3 ил.

Область техники

Изобретение относится к области автоматики и систем автоматического управления и регулирования. В частности, к электроприводам, предназначенным для прецизионной отработки низких угловых скоростей вращения.

Уровень техники

На сегодняшний день существует несколько типов электроприводов, предназначенных для отработки угловых скоростей вращения.

Для реализации «классического» скоростного электропривода используется тахогенератор. Однако, тахогенераторы имеют нелинейную характеристику в области малых скоростей и подвержены электромагнитным помехам, что может привести к некачественному регулированию или неустойчивой работе электропривода, так как величина полезного выходного сигнала может быть сравнима с величиной уровня шума [1].

Скоростной контур регулирования электропривода можно организовать, используя оптический датчик угла с высокой разрешающей способностью (23-26 разрядов в двоичном цифровом коде). Высокая разрядность таких датчиков позволяет использовать их для прецизионной оценки скорости вращения исполнительной оси и исключить необходимость применения тахогенераторов. Поэтому во многих задачах управления прослеживается тенденция к использованию в системе одного вида датчика обратной связи - углового[2]. Однако, большие габариты и масса оптических датчиков делает затруднительным их использование в системах, к габаритно-массовым характеристикам которых предъявляются высокие требования.

Известен электропривод, в котором используется способ замыкания контура регулирования, основанный на сравнении проинтегрированной заданной угловой скорости вращения и текущего значения углового положения объекта управления [1, 3]. Преимуществом данного электропривода является возможность отработки угловой скорости вращения без использования датчика углового положения с высокой разрешающей способностью.

Недостатком данного электропривода является то, что чувствительность электропривода определяется чувствительностью датчика углового положения. При необходимости повышения чувствительности отработки задаваемой угловой скорости вращения, в свою очередь требуется повышение разрядности датчика углового положения, что отрицательно сказывается на экономических и габаритно-массовых параметрах электропривода.

Известен электропривод содержащий датчик углового положения расположенный на оси ротора двигателя [4]. При замыкании контура регулирования, основанного на сравнении проинтегрированной заданной угловой скорости вращения, приведенной к ротору двигателя, и текущего значения углового положения ротора двигателя можно получить повышение чувствительности отработки задаваемой угловой скорости вращения, что является явным преимуществом такого электропривода.

Недостатком такого электропривода является не охватывание контуром регулирования части элементов конструкции - механической передачи и объекта управления. Вследствие этого в создаваемую угловую скорость вращения объекта управления будет вноситься погрешность, обуславливаемая нежесткостью конструкции элементов электропривода, люфтом редукторной передачи и несоосностью осей двигателя и объекта управления.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности отработки задаваемой угловой скорости вращения без увеличения разрядности датчика углового положения и отработка погрешностей, вносимых элементами конструкции электропривода в создаваемую угловую скорость вращения объекта управления.

Сущность изобретения

В предлагаемом устройстве размещаются два датчика углового положения - по осям вращения объекта управления и двигателя. Структурная схема предлагаемого электропривода представлена на фиг. 1, где И1 и И2 - интеграторы угловой скорости; АС - анализатор скорости; РУ - регулирующее устройство; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; КУМ - ключевой усилитель мощности; Д - двигатель; РП - редукторная передача; ОУ - объект управления; ДУП ОУ - датчик углового положения объекта управления; ДУП Д - датчик углового положения ротора двигателя; N_ω - задаваемый код скорости; - расчетный код углового положения объекта управления; - расчетный код углового положения двигателя; ΔN_ϕ - сигнал рассогласования контура углового положения объекта управления; ΔN_α - сигнал рассогласования контура углового положения двигателя; N_ШИМ - входное значение кода ШИМ; T_i - сигналы, управляющие работой ключевого усилителя мощности; U_i - напряжения, подаваемые на фазы двигателя; α_Д - значение углового положения двигателя; α_ОУ - значение углового положения объекта управления; N_ОУ - значение измеренного углового положения объекта управления; N_Д - значение измеренного углового положения двигателя.

Анализатор скорости (АС) принимает и сравнивает задаваемые угловые скорости вращения объекта управления (N_ω) и фиксирует момент перехода границы между низкой и высокой задаваемыми скоростями. При этом меняются коэффициенты и/или структура регулятора угла (РУ) и производится расчет текущих значений интегратора скорости того контура регулирования, на котором в дальнейшем будет работать электропривод. Новое значение выходного сигнала интегратора рассчитывается таким образом, чтобы сохранить текущее значение сигнала рассогласования по отношению к контуру регулирования замкнутому по сигналу датчика углового положения расположенному по оси объекта управления. При переходе с высокой скорости на низкую новое значение выходного сигнала интегратора И1 рассчитывается по формуле:

где, N_i1 - значение, записываемое в интегратор скорости контура углового положения двигателя;

i - передаточное число редукторной передачи.

При переходе с низкой скорости на высокую значения выходного сигнала интегратора И2 определяются по формуле:

где, N_i2 - значение, записываемое в интегратор скорости контура углового положения объекта управления;

i - передаточное число редукторной передачи.

Сигнал датчика углового положения, расположенного по оси двигателя, замыкает контур регулирования электропривода только в режиме малых скоростей, когда влияние нежесткости конструкции, люфта редуктора и несоосности осей минимально или отсутствует. В режиме высоких скоростей контур регулирования замыкается по сигналу датчика углового положения, расположенного на оси объекта управления.

На вход регулятора угла (РУ) поступают сигналы рассогласования ΔN_ϕ и ΔN_α. РУ корректирует сигнал рассогласования того контура регулирования на котором работает электропривод. Тип и структура регулятора определяются в зависимости от назначения электропривода и предъявляемых к нему технических требований. Выходной сигнал РУ (Н_ШИМ) поступает на блок широтно-импульсный модулятор (ШИМ), выход которого (T_i) связан с ключевым усилителем мощности (КУМ). В свою очередь выходной сигнал КУМ (U_i) поступает на двигатель (Д), связанный через редукторную передачу (РП) с объектом управления (ОУ). Датчик углового положения ротора двигателя (ДУП Д) и датчик углового положения объекта управления (ДУП ОУ) жестко укреплены на осях Д и ОУ, соответственно. Выходные сигналы интеграторов И1 и И2 сравниваются с выходными сигналами ДУП ОУ и ДУП Д, соответственно, образуя сигналы рассогласования ΔN_ϕ и ΔN_α.

Подобное построение системы управления угловой скоростью вращения позволяет повысить чувствительность в режиме малых задаваемых скоростей вращения и в то же время отрабатывать погрешности, связанные с несоосностью осей объекта управления и двигателя, нежесткостью конструкции электропривода и люфтом редукторной передачи.

На фиг. 2 представлены диаграммы углового положения объекта управления при отработке электроприводом задаваемой угловой скорости вращения объекта управления 0,0042 °/c при замыкании контура регулирования по сигналам датчиков углового положения, расположенных по осям объекта управления (диаграмма 2-а) и двигателя (диаграмма 2-б). Из сравнения диаграмм 2-а и 2-б следует, что чувствительность отработки заданной угловой скорости вращения значительно выше при замыкании контура регулирования по сигналу датчика углового положения, расположенному по оси двигателя. При этом один такт работы электропривода составляет 320 мкс.

На фиг. 3 представлена диаграмма значений угловых скоростей объекта управления при отработке электроприводом задаваемой угловой скорости вращения объекта управления 17,2 °/с при замыкании контура регулирования по сигналам датчиков углового положения, расположенных по осям объекта управления (диаграмма 3-а) и двигателя (диаграмма 3-б). По оси абсцисс отмечены значения тактов съема информации, при этом один такт соответствует времени 1,6 мс. Из сравнения угловых скоростей объекта управления 3-а и 3-б следует, что при замыкании контура регулирования по сигналу датчика углового положения, расположенному по оси двигателя, наблюдаются колебания угловой скорости вращения объекта управления, которые отсутствуют при замыкании контура регулирования по сигналу датчика углового положения, расположенному по оси объекта управления.

Таким образом, предлагаемое устройство с повышенной чувствительностью к отработке малых угловых скоростей вращения обладает новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике, например, в исполнительных электроприводах двухстепенных силовых гироскопических приборов (гиродинов), устройств поворотных солнечных батарей или телескопических систем.

Литература

1. Джукич Д.Й., Положенцев Д.С. Организация систем управления угловой скоростью с помощью индукционных датчиков угла // Молодежь. Техника. Космос: труды VI Общероссийской молодежной науч.-техн. конф./ Балтийский государственный технический университет. - СПб.; 2014. С. 185-186 с.

2. Садовников М.А. Измерение скорости движения силового электропривода с помощью оптических датчиков угла // Изв. Вузов. Приборостроение 2008. Т. 51, №6. С. 52-57.

3. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. / P.M. Трахтенберг // М.: Энергоиздат, 1982. - 168 с.

4. Джукич Д.И., Положенцев Д.С. Унифицированный исполнительный электропривод поворотного устройства солнечной батареи // Электронные и электромеханические системы и устройства: XIX науч.-техн. конф. (Томск, 16-17 апр. 2015 г.) / АО «НПЦ «Полюс». - Томск, 2015. - 360 с.

Электропривод с повышенной чувствительностью к отработке малых угловых скоростей вращения, содержащий интеграторы угловой скорости, последовательно соединенные регулятор углового положения, широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, двигатель, который через редукторную передачу связан с объектом управления, и датчики углового положения, расположенные по осям двигателя и объекта управления, отличающийся тем, что с целью попеременного использования датчиков углового положения, в зависимости от величины задаваемой угловой скорости вращения объекта управления, в состав электропривода введен анализатор скорости, на вход которого поступает заданный сигнал угловой скорости вращения объекта управления, а выход которого соединен с интеграторами угловой скорости и регулятором углового положения, при этом анализатор скорости сравнивает значения задаваемых угловых скоростей вращения объекта управления, фиксирует момент перехода границы между низкой и высокой задаваемыми скоростями, определяет, по какому датчику углового положения будет замкнут контур регулирования, меняет коэффициенты и/или структуру регулирующего устройства, производит расчет текущих значений интегратора угловой скорости того контура регулирования, на котором в дальнейшем будет работать электропривод.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электромотором. Техническим результатом является обеспечение стабильности управления моментом.

Контроллер транспортного средства с электрическим приводом // 2706928

Настоящее изобретение относится к контроллеру транспортного средства с электрическим приводом. Причем контроллер устанавливается в транспортном средстве с электрическим приводом, включающем в себя мотор для движения, инвертор, который приводит в действие мотор, и устройство аккумулирования электричества, которое обменивается электричеством с мотором через инвертор, причем контроллер содержит электронный блок управления, выполненный с возможностью выполнять управление переключением по переключающему элементу инвертора посредством переключения между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольным сигналом согласно коэффициенту модуляции, при этом электронный блок управления выполнен с возможностью выполнять управление переключением посредством управления с прямоугольным сигналом в первом режиме переключения, когда скорость вращения мотора равна или выше первой предварительно определенной скорости вращения, электронный блок управления выполнен с возможностью выполнять управление переключением посредством управления с прямоугольным сигналом во втором режиме переключения, когда скорость вращения мотора ниже первой предварительно определенной скорости вращения, первая предварительно определенная скорость вращения является скоростью вращения ниже первой резонансной области, первый режим переключения является режимом последовательности переключения, который подавляет LC-резонанс в первой резонансной области, и второй режим переключения является режимом последовательности переключения, который подавляет LC-резонанс во второй резонансной области ниже первой предварительно определенной скорости вращения.

Способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний // 2706340

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в машиностроении, электромашиностроении, измерительной, испытательной технике, трибологии.

Способ управления двигателем и устройство управления двигателем // 2706025

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления двигателем. Техническим результатом является обеспечение защиты двигателя в области низких частот вращения.

Способ безударного подхвата частоты вращающегося асинхронного двигателя // 2705195

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам защиты асинхронных электродвигателей от аварийных режимов. Технический результат заключается в обеспечении беспрерывной работы двигателей переменного тока, управляемых частотными преобразователями, при кратковременном пропадании электропитания.

Электропривод одноключевой многофазный // 2704494

Изобретение относится к области электромеханики, а именно к электроприводу с многофазным вентильно-индукторным двигателем (ВИД), и предназначено для приведения в движение машин и механизмов.

Приводная система, автомобиль и способ управления приводной системой // 2701481

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Приводная система содержит многофазный электромотор, инвертор и электронный блок управления.

Оборудование управления защитой для схемы преобразования мощности и способ его управления // 2701365

Группа изобретений относится к схемам защиты преобразователей. Оборудование управления защитой для схемы преобразования мощности содержит компьютер, контроллер связи и схему выключения.

Устройство преобразования мощности // 2701158

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах преобразования мощности. Техническим результатом является улучшение работы устройства за счет уменьшения потерь на коммутацию.

Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты // 2699374

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным трехуровневым активным выпрямителем высоковольтного преобразователя частоты, система управления которого при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети переключает режим работы ключей активного выпрямителя с широтно-импульсного способа управления на релейно-векторное управление.

Устройство управления и способ управления электромотором // 2707178

Контроллер транспортного средства с электрическим приводом // 2706928

Вентильный электропривод // 2706416

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромеханических системах на производстве, на транспорте и строительстве. Технический результат заключается в повышении точности регулирования частоты вращения.

Устройство измерения неравномерности мгновенной частоты вращения вала // 2703274

Изобретение относится к измерительной технике и электротехнике. Технический результат: повышение точности измерения неравномерности мгновенной частоты вращения вала и увеличение информации о ее поведении в пределах оборота вала.

Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты // 2699374

Способ управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке // 2697262

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока.

Система управления электроприводом транспортного средства // 2690532

Изобретение относится к области электротехники и транспорта и может быть использовано в качестве системы управления электроприводом унифицированной машины технологического электротранспорта.

Способ определения частоты ротора и/или угла ротора реактивной электрической машины, управляющее устройство, а также приводная система // 2689117

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления реактивной электрической машиной без демпферной клетки. Способ определения частоты (f) ротора и/или угла (ϕ) ротора реактивной электрической машины (2), которая имеет статор со статорной обмоткой (10) и ротор с магнитно анизотропным роторным пакетом, осуществляют посредством приложения временной последовательности импульсов напряжения (Uk) к статорной обмотке (10), определения ответной последовательности импульсов протекающего в статорной обмотке (10) электрического тока (Ik), который возникает вследствие импульсов напряжения (Uk) и последовательно наводимого потока (Φk) вследствие магнитно анизотропного роторного пакета, при этом определение частоты (f) ротора и/или угла (ϕ) ротора осуществляют на основе измеряемой ответной последовательности импульсов электрического тока (Ik) с помощью оценочного блока (3).

Насосный узел и способ управления // 2686018

Изобретение относится к насосным узлам. Технический результат – обеспечение насосного узла с дополнительно оптимизированной конструкцией, за счет уменьшения размера приводного мотора, которая является эффективной даже для работы не с полной, а с частичной нагрузкой.

Способ управления синхронным электродвигателем на постоянных магнитах // 2683586

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, применяемым в качестве линейного привода для электропогружной насосной установки.