Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем

 

00tC3 СОВЕТСНИХ

СООИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

П511 Н 02 Р 5 40 с

1 (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

5q;(Sx ), 5Я (! Ч -Е ) х, I ), M„Sq P4 C), где 5©с 1,a ) 0, в (010(0, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3551960/24-07 (22) 11.02.83 (461 30.04.84. Бюл. Р 16 (721 A.Ã.Hoíäàðåâ, В.Л.Бунаков, Н.Е.Костылева и В.И.Уткин (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени текстильный институт им. A.Н.Косыгина (531 621. 313. 333. 2 (088. 81 (56l 1. Авторское свидетельство СССЕ

9 824394, кл. Н 02 Р 7/62, 1981.

2. Ивей К.A. Системы автоматического регулирования на несущей переменного тока. М., "Машиностроение", 1968, с.95. (54) (57 I УСТРОЙСТВО ДЛЯ .УПРАВЛЕНИЯ

ДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАTEJIEM, содержащее первый элемент сравнения, тахогенератор, датчик пОложения на валу двигателя, блок зада ния и источник питания, .причем к первому и второму входам первого эле мента сравнения соответственно подключены первый выход блока задания и выход датчика положения на валу двигателя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления, в него введены второй элемент сравнения, сумматор и три логических блока, реализующих соответственно логические функции

Где a — любое число

5 — переменная., от знака которой зависит направление вращения ротора электродвигателя;

„„Su„„1089747 а

Х1 — отклонение углового положения ротора двигателя от заданной величины;

hC — приращение степени затухания переходного процессй Х (Ц, 1 где С вЂ” время;

Я,М, — константы, интегросумматор, блок умнОжения, компаратор, блок вычисления модуля, коммутатор, модулятор, причем первые входы сумматора, первого и второго логических блоков, блока умножения, блока вычисления модуля подключены к выходу первого элемента сравнения, к первому и второму входам второго элемента сравнения подключены соответственно второй выход щ 2 блока задания и выход тахогенератора, а выход второго элемента сравнения подключен к второму входу сумматора, к третьему входу сумматора С подключен выход блока умножения, выход сумматора подключен к вторым входам первого и второго логических блоков и к входу компаратора, выход которого подключен к первому входу коммутатора, выходы первого, второго и третьего логических блоков соответственно подключены к первому, второму и третьему входам интегросумматора, а его выход подключен к второму входу блока умножения и к входу третьего логического блока, выход блока вычисления модуля подключен к второму входу модулятора, первый вход модулятора подключен к источнику питания, выход модулятора подключен к второму входу коммутатора и к обмотке возбуждения двигателя, выход коммутатора подключен к обмотке управления двигателя.

1089747

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах следящих электроприводов с двухфазным асинхронным электродвигателем.

Известно устройство для управле- 5 ния двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее блок питания с двумя усилиТелями, подключенными к обмоткам возбуждения и управления (1). 10

Недостатком известного устройства является небольшое быстродействие, что существенно ограничивает область его использования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее первый элемент сравнения, тахогенератор, датчик голожения на валу двигателя, блок задания и источник питания, причем к первому и второму входам первого элемента сравнения соответственно подключены первый выход блока задания и выход датчика положения на валу .двигателя(2).

Недостатком известного устройства является то, что уравнение линии переключения, реализуемое в устройстве, будет определять оптимальное по З0 быстродействию движение системы лишь для одной точки на механической характеристике двигателя, а для остальных точек движения системы не будет оптимальным по быстродействию. 35

По этой же причине устройство может потерять устойчивость, поскольку коэффициенты модели двигателя, являющейся основой оптимального по быстродействию алгоритма управле- 40 ния, являются переменными величинами, в частности определяются нелинейными механическими характеристиками электродвигателя, а алгоритм этого не учитывает.

Цепь изобретения — повышение точности управления двухфазным асинхронньтм электродвигателем.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее первый элемент сравнения, тахогенератор, датчик положения на валу двигателя, блок задания и источник питания, причем к первому и второму входам первого эле-55 мента сравнения соответственно подключены первый выход блока задания и выход датчика положения на валу двигателя, введены второй элемент сравнения, сумматор и три логических 60 блока, реализующих соответственно логические функции

9 (5x, }, 5 ()5(-5 (x„)),Ì 9 (-дС1, где 11,а>0, 5%" (о,ко, где ot — - любое число; переменная, знак которой опре деляет направление вращения электродвигателя;

К вЂ” отклонение углового положения ротора двигателя от заданной величины; йС вЂ” приращение степени затухания переходного процесса x„(tI, где — время, g, N(- константы, интегросумматор, блок умножения, компаратор, блок вычисления модуля, коммутатор, модулятор, причем первые входы сумматора, первого и второго логических блоков, блока умножения, блока вычисления модуля подключены к выходу первого элемента сравнения, к первому и второму входам второго элемента сравнения подключены соответственно второй выход блока задания и выход тахогенератора, а выход второго элемента сравнения подключен к второму входу сумматора, к третьему входу сумматора подключен выход блока умножения, выход сумматора подключен к вторым входам первого и второго логических блоков и к входу компаратора, выход которого подключен. к первому входу коммутатора, выход первого, второго и третьего логических блоков соответственно подключены к первому, второму и третьему входам интегросумматора, а его выход подключен к второму входу блока умножения и к входу третьего логического блока, выход блока вычисления модуля подключен к второму входу модулятора, первый вход модулятора подключен к источнику питания, выход модулятора подключен к второму входу коммутатора и к обмотке возбуждения электро двигателя, выход коммутатора подключен к обмотке управления электродвигателя.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, - на фиг.2a — типовые механичес кие характеристики электродвигателя> б - положение линии переключения на фазовой плоскости; на фиг.З а, б, в — возможные варианты реализации выходного каскада "коммутатор-модулятор-электродвигатель"; на фиг.4 а,б,в — реализация первого, второго и третьего логических блоков; на фиг.5 а,б,в,t- реализация сумматора, интегросумматора, компаратора и блока вычисления модуля. .Устройство содержит (фиг.1) двухфазный асинхронный электродвигатель

1, коммутатор 2, первый элемент 3 сравнения, датчик 4 положения и тахогенератор 5 на валу электродви1089747

10

30

40

55 гателя 1, блок 6 задания, модулятор

7, источник 8 питания, второй элемент 9 сравнения, компаратор 10, первый, второй и третий логические блоки 11,12 и 13,сумматор 14,блок 15 умножения, блок 16 вычисления модуля, интегросумматор 17. Выходы тахогенератора 5 и датчика 4 положения подключены к вторым входам соответственно второго и первого элементов сравнения 9 и 3,. первые входы которых подключены соответственно к второму и первому выходам блока 6 задания. Выход первого элемента 3 сравнения подключен к первым входам сумматора 14, логических блоков 11 и -12, блока 15 умножения и к входу блока 16 вычисления модуля. Вторые входы логических блоков 11 и 12,вход компаратора 10 подключены к выходу сумматора 14, второй вход которого подключен к выходу второго элемента

9 сравнения, а третий вход подключен к выходу блока 15 умножения.

Первый, второй и третий логические блоки 11, 12 и 13 своими выходами подключены соответственно к первому,второму и третьему входам интегросумматора 17, выход которого подключен к второму входу блока 15 умножения и к входу третьего логического блока 13. Выход блока 16 вычисления модуля подключен к второму входу,мопчлятооа 7, пеовый вход котооого подключен к источнику питания 8, выход модулятора 7 подключен к второму входу коммутатора 2 и к обмотке 18 возбуждения (фиг.

3 а } электродвигателя 1, первый вход коммутатора 2 подключен к выходу компаратора 10, выход коммутатора 2 подключен к обмотке 19 управления электродвигателя 1.

Выходной каскад "коммутатор-модулятор-электродвигатель" содержит (фиг.3 а ) электродвигатель 1 с обмотками возбуждения и управления

18 и 19, коммутатор 2, модулятор 7, источник 8 питания. Коммутатор 2 содержит четыре ключа 20-23, конденсатор 24.

На фиг.3 б показана принципиальная электрическая схема ключей 2023. Она содержит диодный мост 25, транзисторы 26 и 27, оптрон 28, резисторы 29-32. Иа фиг.3е изображена принципиальная электрическая .схема ключей 21-22. Она содержит диодный мост 33, транзисторы 34-35, оптрон

36, резисторы 37-40. реализация первого, второго и третьего логических блоков 11, 12 и 13 показана соответственно на фиг.4 а, 4 б и 4 в. Первый логический блок 11 содержит операционные усилители 41 и 42, диоды 43-46; резисторы 47-50, стабилитроны 51 и

52, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 53. Второй логический блок 12 содержит операционные усилители 54-57, диоды

58-63, резисторы 64-75, стабилитрон

76. Третий логический блок 13 содержит операционный усилитель 77, диоды 78 и 79, резисторы 80 и 81, стабилитрон 82.

На фиг.5 а,б,в,г изображены принципиальные электрические схемы соответственно сумматора 14, интегросумматора 17, коммутатора 10 и блока 16 вычисления модуля. Сумматор 14 содержит операционный усилитель 83 и резисторы 84-88. Интегросумматор 17 содержит операционные усилители 89-90, резисторы 91-98, конденсатор 99. Компаратор 10 содержит операционный усилитель 100, диоды 101 и 102, резистор 103. Блок

16 вычисления модуля содержит усилители 104 к 105, диоды 106 и 107, резисторы 108-113.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы задания углового положения и скорости ротора, поступающие с блока б задания сравниваются с текущими значениями этих величин, поступающими с датчика 4 положения и тахогенератора 5, соответственно в первом и втором элементах 3 и 9 сравнения. На выходах элементов 3 и 9 сравнения вырабатываются сигналы, пропорциональные отклонениям углового положения и угловой скорос" ти электродвигателя 1 от заданной величины. Сумматор 14, три блока 11, 12 и 13,интегросумматор 17, блок 15 умножения, компаратор 10 вырабатывают сигнал знака некоторой величины S (см.ниже1, а блок вычисления модуля 16 вырабатывает сигнал,пропорциональный 9zfx„ t,,Эти сигналы поступают соответствейно на входы модулятора 7 и коммутатора 2, выходы которых соответственно подключены к обмоткам возбуждения 18 и управления 19 электродвигателя 1. Модулятор 7 и коммутатор 2 так меняют амплитуду и знак напряжения источника 8 питания, поступающего на обмотки 18 и

19, чтобы свести угловые рассогласования к нулю, поддерживая высокое качество управления (см.ниже1 при возможных изменечиях динамических параметров электродвигателя 1.

Остановимся более подробно на алгоритме управления электродвигателем 1.

Уравнение движения электродвигателя 1 в области рабочей точки имеет следующий вид:

6=-а 9-flu, (sJ где 0 — действующее значение напряжения на обмотке управления электродвигателя;

1089747

0 = Q j х„1 Sigh S 35 (5! (6 !

Б-Cx<+x2

) о! > — (-С +Сао) где (5 — уравнение линии переключе- 40 ния 5 с угловым коэффици-. ентом С, постоянный коэффициент. о

Согласно {2 и (б найдется такое Чо, что при любых начальных условиях для всех аои К из (3! нектор состояния(Х = Х„,Х2 )(r — символ транспонирования) попадет на линию 9 =0, после чего в системе возникнет движение в скользящем режиме, описываемое уравнением

Cx +x =Î (7!

Это уравнение инвариантно к изменениям параметрон электродвигателя 1, если не применять адаптацию.

В то же время быстродействие систе — 55 мы повышается, если для каждого набора параметров ао и К из (3) выбрать максимально возможное значение

С из области (б! методом адаптации.

Таким образом, линия переключения S ц) (фиг.2! становится нестационарной за счет изменения коэффициента С

50,! (5 ((9) 9 ()5! g{z )))whl Sq(dC) (н!

О= Со 14С, 9,д ид — угловое отклонение от номинального положения ротора и первая и нторая произнодные этой величины по вре мени о! и {< — коэффициенты, зависящие от момента инерции нагрузки на валу электроднигателя 3, а также от положения рабочей точки, характеризуемого угловой частотой вращения .0О и моментом вращения И=Мо:

-аМ ЗО „dMidu согде производные вычислены в окрестности точки (бо и М ).

Перепишем уравнение (1) в нормаль. ной форме. Обозначая x„=Î, х =х х =-а х= -кО.

2 2 0--2 (2!

Отметим, что в системе (2) коэффициенты а и к переменные„ так как 20 о переменные величины дМ(39 и дФ)ди „ вычисляемые вдоль механических характеристик электродвигателя в каждой рабочей точке (фиг.2 а), т.е. аомк аомакс мин< < макс к <к<к (3l 25

Устройство позволяет управлять электродвигателем таким образом, чтобы обеспечить максимальное быстрбдейстние движения в скользящем режиме для каждого набора параметров 30 из условия (3! . Для этой цели вводится скользящий режим. Алгоритм при этом имеет вид где (1, >О, 6(со>9 бра =

{О,ы< О, где ы — любое число, М„ъ>Ы,8 — малая положительная величина, (0<с.<С) {фиг. 2 б) .

С вЂ” максимальное фиксированное о значение коэффициента С, при котором нсегда выполняется (б ).

Алгоритм адаптации обеспечивает увеличение коэффициента С беэ нарушения ограничения (6). Третье слагаемое в выражении (8) обеспечивает выполнение неравенства C>>C>., Далее будем пользоваться плоскостью х, х2 .{фиг.2 б). Не нарушая общности, рассмотрим полуплоскость х >0. Вне заштрихованной облас. ти 6 (в которой Sg()S)-E)X g) сО при

5>0 согласно (8! неличина 4С=О,т.е. положение линии переключения не меняется. В области G при 9>0 коэффициент С увеличивается, а при 9< О величина С вновь равна нулю. Вне области 5 при5<0 коэффициент С умень шается (но не менее, чем до величины Co,.

Покажем теперь, каким образом в устройстве осуществляется процесс адаптации. Пусть вектор состояния попал на границу области 6, определяемую ураннениями (C-Е)х +х =О, согласно (8 с этого момента времени величина С начинает возрастать со скоростью о! и,соответственно, величина 5 равна

9 =Сх 1+х2+Сх (9!

Так как на указайной границе области G 5>0 и х2 =(С-И х, то в силу (9),(2),(4),(8 получаем

5 = (-С +СЯ+ао С-аоЕ (!о -Ыф !,(10)

При достаточно малом Е и при выполнении неравенства

4 (11) имеем (-С +СЕ+аоС-аф — (К4 — «фа.

Т.е. при х,>0 величина 9 <0 (напомним 9>0). Это означает, что вектор состояния догонит убегающую линию переключения. После изменения знака 9 величина С станет равной нулю, поэтому для 9<0, > > О, так как по нашему предположению для стационарной линии переключения выполняется условие существования скользящего режима.

Приведенные данные показывают, что на нестационарной прямой 9 ноэникает скользящий режим.

Таким образом, при выполнении условий (4 ),(11) предлагаемый алгоритм адаптации {8} обеспечивает поиск прямой переключения с максимально возможной скоростью затухания движения в скользящем режиме при

1089747 переменных параметрах электродвигателя.

Элементы и блоки устройства работают следующим образом.

Обмотка 19 управления (фиг.3 а J электродвигателя 1 коммутируется четырьмя ключами 20-23 к выходу модулятора 7 таким образом, что знак действующего значения напряжения на обмотке 19 управления определяется знаком величины u =sign&,ïoступающей на управляющие входы ключей 20-23-первый вход коммутатора 2.

Величина действующего значения напряжения, поступающего на обмотку 19 управления с выхода модулятора 7, 15 второй вход коммутатора 2, пропорциональна )х„). Таким образом, алгоритм управления электродвигателем 1 определяется выражением (4 ), Модулятор 7 выполнен, например, по балансной схеме. Действующее значение напряжения на его выходе пропорциональ но ) (х,(. Конденсатор 24 служит для созданйя сдвига между фазами напряжений на обмотках 18 и 19 электро- 25 двигателя 1, равного 90 эл.град.

Ключи 20 и 23 работают следующим образом (фиг. 3 б I.

Диодный мост 25, управляемый тран-30 зистором 26 через транзисторный оптрон 28, открывается (закрывается ) по сигналу u ) 0 (О c0), поступающему на базу транзистора 27, управляющий вход ключей 20, 23. 35

Ключи 21 и 22 (фиг. 3 в ) работают в противофазе к ключам 20,23.

Оптроны 28,36 служат для гальванической развязки управляющих и силовых цепей выходного каскада "кЬммутатор-модулятор-двигатель". Резисторы схем ключей 20-23 служат для создания рабочего режима транзисторов.

Логический блок 11 (фиг 4 à ) вычисляет функцию 5 (х„&) и работает следующим образом. 45

На выходах компараторов — операционные усилители 41 и 42, резисторы 47 и 48, диоды 43-46 — из входных сигналов х1 и 5, поступающих на их входы, выделяются сигналы, пропор-50 циональные дп х„и я ди5, которые после их нормализации на схемах ограничения — резисторы 49 и 50, стабилитроны 51 и 52 — поступают на входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 53. 55

Логика работы этого элемента обеспечивает вычисление функции 5 (х 5) °

Логический блок 12 вычисляет функциюб ()5)-K)x,))н работает следующим образом.

Схемы выделения модуля — операци-. онные усилители 54 и 55, диоды 58-62, резисторы 64-69 вычисляют величины

-(х. )и )б1 из сигналов х и 5, поступающих на входы логического блока 12.

Далее схемой на основе операционного усилителя 56 осуществляется суммирование сигналов с коэффициентами пе редачи соответственно "1" и Я, которые обеспечиваются соотношениями резисторов 70-73. Компаратор на основе операционного усилителя 57, диодов

62 и 63 и резистора 74 и схема ограничения — резистор 75, диод 76 выделяют из выходного сигнала суммирующей .схемы на величину, пропорциональную Sg((SI - ь j х,))

Логический блок 13 (фиг.4 в) вычисляет функцию М,Sg(-аС )от входного сигнала 4С и работает следующим образом.

На выходе компаратора на основе операционного усилителя 77, резистора 80, диодов 78 и 79 присутствует сигнал, эквивалентный si gnAС, à на выходе схемы ограничения — резистор

81, стабилитрон 82 — выделяется величина, соответствующая % 5 аС ), где

М„ определяется напряжением стабилизации на стабилитроне 82.

Сумматор 14 (фиг.5 а ) представляет собой трехвходовую суммиРующую операционную схему с коэффициентами передачи по первому, второму и третьему входам соответственно Со, "1" и

"1", определяемыми формулой (5 )..

Интегросумматор 17 (фиг.5 б) вырабатывает величину AC в соответствии с формулой (8 ). Он состоит иэ сумматора — операционный усилитель

90, резисторы 95-98 и интегратора операционный усилитель 89, резисторы 91-94, конденсатор 99. Коэффициент о(задается резисторами 91-94 и конденсатором 99.

Компаратор 10 (фиг.5 в ) вычисляет функцию u =sign g.

Блок 16 вычисления модуля(фиг.5 r) вырабатывает величину, пропорциональную

4 Ix„I.Oí состоит из схемы выделения модуля на основе операционного усили-. теля 104 и усилителя на основе операционного усилителя 105. Клэффициент

Мц задается отношением резисторов

112-111 ° Схемы блоков и элементов устройства выполнены на основе типовых операционных схем.

Таким образом, введение дополнительных блоков и связей позволяет осуществить адаптацию управления к изменяющимся в процессе работы динамическим параметрам электродвигателя, что дает возможность использовать предлагаемое устройство в следящих электроприводах высокой точности и быстродействия.

10Н9347

1 !

I

I !

1

1

1 !

1

1089747

K" Ф

1089747

1089747

«ц ф ф Ъ М

«Ctl

Ъ

Сю .

4г

Ф

ФЦ

:з

ВНИИПИ Заказ 2951/54

Тираж 667 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектн ая, 4