Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к регулируемым электроприводам переменного тока, и может быть использовано для регулирования момента, скорости и положения рабочих органов, в том числе в станкостроении и робототехнике . Цель изобретения - повышение энергетических и динамических показателей электродвигателя при повышении точности регулирования момента и скорости за счет регулируемой ориентации вектора тока статора относительно продольной оси ротора, расширение функциональных свойств и диапазона регулирования скорости за счет обеспечения режима постоянства мощности при ослаблении магнитного взаимодействия статора и ротора. При нарастании частоты вращения ротора выше заданной граничной величины уменьшают амплитуду синусоидального тока обратно пропорционально частоте вращения ротора. Соответственно увеличивают амплитуду косинусоидального тока. Фазы обоих токов одновременно дискретно изменяют на величину , пропорциональную приращению угла поворота ротора, образуя дискретное приращение фаз. Мгновенную величину синусоидального тока и фазу косинусоидального в одной из фазных обмоток статора регулируют равными нулевым значениям при условии совпадения продольной магнитной оси ротора с магнитной осью фазной обмотки статора. Дискретное приращение фаз периодических токов формируют в момент появления счетного импульса с помощьюимпульсногодатчика установленного на двигателе Нулевую фазу косинусоидального тока задают в момент появления импульса нулевой метки импульсного датчика. Вращающаяся его часть с нулевой меткой установлена на роторе и ориентирована с возможностью совпадения нулевой метки с продольной магнитной осью ротора. Неподвижная часть с индикатором нулевой метки жестко закреплена на статоре и сориентирована так, чтобы угловое положение индикатора нулевой метки геометрически совпадало с магнитной осью фазной обмотки статора. 1 з п ф-лы, 3 ил О 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 Р5!40

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, В (21) 4219300/63 (22) 31.03.87 (46) 30,09.91. Бюл. ¹ 36 (72) В,А.Мищенко и Н.И.Мищенко (53) 621.316.718.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 520682, кл. Н 02 P 5/40, 1970. (54) СПОСОБ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С

ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ НА РОТОРЕ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока, и может быть использовано для регулирования момента, скорости и положения рабочих органов, в том числе в станкостроении и робототехнике. Цель изобретения — повышение энергетических и динамических показателей электродвигателя при повышении точности регулирования момента и скорости за счет регулируемой ориентации вектора тока статора относительно продольной оси ротора, расширение функциональных свойств и диапазона регулирования скорости за счет обеспечения режима постоянства мощности при ослаблении магнитного взаимодействия статора и ротора. При нарастании частоты вращения ротора выше заданной граничной величины уменьшают амплитуду

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока, и может быть использовано для регулирования момента, скорости и положения рабочих органов, в.SU „„ 1 681371 А1 синусоидального тока обратно пропорционально частоте вращения ротора. Соответcтвенно увеличивают амплитуду косинусоидального тока, Фазы обоих токов одновременно дискретно изменяют на величину, пропорциональную приращению угла поворота ротора, образуя дискретное приращение фаэ. Мгновенную величину синусоидального тока и фазу косинусоидального в одной из фазных обмоток статора регулируют равными нулевым значениям при условии совпадения продольной магнитной оси ротора с магнитной осью фаз ной обмотки статора. Дискретное приращение фаз периодических токов формируют в момент появления счетного импульса с помощью импульсного датчика, установленного на двигателе. Нулевую фазу косинусоидального тока задают в момент появления импульса нулевой метки импульсного датчика. Вращающаяся его часть с нулевой меткой установлена на роторе и ориентирована с возможностью совпадения нулевой метки с продольной магнитной осью ротора. Неподвижная часть с индикатором нулевой метки жестко закреплена на статоре и сориентирована так, чтобы угловое положение индикатора нулевой метки геометрически совпадало с магнитной осью фазной обмотки статора, 1 з.п.ф-лы, 3 ил. том числе в станкостроении и робототехнике для приводов подач и главного движения станков.

Цель изобретения — повышение энергетических и динамических показателей элек1681371

50 тродвигателя при повышении точности регулирования момента и скорости за счет регулируемой ориентации вектора тока статора относительно продольной магнитной оси ротора, расширение функциональных свойств и диапазона регулирования скорости эа счет обеспечения режима постоянства мощности при ослаблении магнитного взаимодействия статора и ротора, На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода с синхронным электродвигателем; на фиг. 2 а, б — векторные диаграммы токов, поясняющие способ векторного управления электродвигателем, на фиг. 3 — диаграмма. поясняющая фазотоковое регулирование момента и мощности.

Электропривод с синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе (фиг. 1) содержит синхронный электродвигатель 1 с постоянными магнитами 2 на роторе 3, импульсный датчик 4, на вращающейся части 5 которого, жестко связанной с валом ротора 3, расположена нулевая метка 6, На неподвижной части 7 импульсного датчика 4 установлены индикатор 8 нулевой метки с выходом 9 индикатора 8 нулевой метки и блок 10 формирования счетных импульсов, Клеммы фазных обмоток опорных фаз

А, В, С статора-электродвигателя 1 через датчики 11, 12 фазного тока статора подключены к силовым выходам инвертора 13, содержащего силовые ключи в каждой из опорных фаз А, В, С. Управляющие входы

14, 15 силовых ключей фазы "а" образуют управляющие входы 14, 15 опорной фазы А.

К управляющим входам инвертора 13 подключены входы блока 16 широтно-импульсной модуляции, содержащего генератор 17 несущего сигнала, фазные компараторы

18а, 18b, 18с с фазными формирователями

19а, 19Ь, 19с управляющих импульсов, шиpoTHG-модулированная по синусоидальному закону последовательность выходных импульсов которых управляет переключением силовых ключей инвертора 13 с несущей частотой, задаваемой генератором 17 несущего сигнала.

Фаэные входы 6JloKB 16 11lNpGTHG-v>M пульсной модуляции соединены с фазными входами блока 20 регуляторов фазного тока, осуществляющего пофазное регулирование мгновенных фазных токов !д. Ib, Ig синусои дальной формы.

На вход блока 20 регуляторов фазного тока, содержащего фаэные регуляторы 20а, 20b, 20с и сумматор 21, поступают сигналы отрицательных обратных связей с выходов датчиков 11, 12 фазного тока статора к синусоидальные сигналы задания фазных то4(Ъ. 1( ков 4, Ib, I<, формируемые на выходе блока

22 сумматоров и на выходе векторного регулятора 23, При этом выход а векторного регулятора 23, образующий опорный выход, подключен непосредственно к управляющему входу блока 20 регулятора фазного тока и выполняет функцию формирования тока статора синусоидальной формы в опорной фазе А статора.

Векторный регулятор 23 содержит блок

24 прямого преобразования декартовых координат, на входы которого подключены регулятор 25 ортофазного тока и регулятор 26 синфазного тока, Отрицательные обратные связи на входах регуляторов 25, 26 ортофазного и синфазного токов образованы соответствующими ортофазными и синфазными выходами блока 27 обратного преобразования координат, два входа которого подключены к выходам датчиков 11, 12 фазногоо тока статора.

На два цифровых входа векторного регулятора 23 поступают коды синусной и косинусной соответственно функций угла поворота ротора 3 с выходов синхронизатора 28, входы которого связаны с входами импульсного датчика 4, Цифровые коды синусной и косинусной функций одновременно поступают на синусные и косинусные соответственно входы блока 24 прямого преобразования декартовых координат и блока 27 обратного преобразования координат векторного регулятора 23, обеспечивая синхронизацию вращения ротора 3 и вращения декартовой системы координат, в которой производится регулирование ортофазного и синфазного токов, Синхронизатор 28 содержит синусный преобразователь 29 кода, косинусный преобразователь 30 кода, реверсивный счетчик

31 и блок 32 преобразования частоты импульсов синхронизации, который осуществляет деление частоты счетных импульсов импульсного датчика 4 на целое число, зависящее от числа пар полюсов Zq синхронного электродвигателя 1 с постоянными магнитами 2.

Вход 33 установки нуля синхронизатора

28, подключенный к выходу 9 индикатора 8 нулевой метки импульсного датчика 4, устанавливает реверсивный счетчик 3I в нулевое состояние при совпадении углового положения нулевой метки 6 на вращающейся части 5 с угловым положением индикатора 8 нулевой метки на неподвижной части 7 импульсного датчика 4. Счетные входы реверсивного счетчика 31 подключены к входам блока 32 преобразования частоты

1681371 импульсов синхронизации, выходы которо- нулевой метки, жестко закреплена на статого подключены также к входу блока 34 уп- ре электродвигателя 1 и сориентирована отравления вектором тока, содержащим носительно опорной магнитной оси а задатчик35углафазовогосдвига,синусный одной из фазных обмоток статора, наприи косинусный преобразователи 36, 37 кодов 5 мер опорной фазы "А", так, что угловое пои два цифроаналоговых преобразователя ложение индикатора 8 нулевой метки

38, 39, обьединенные аналоговые входы ко- геометрически совпадает с осью а. Постуторых подключены к выходу регулятора 40 пающий с выхода 9 индикатора 8 нулевой скорости. метки импульс устанавливает вектор тока

Счетные импульсы с выходов синхрони- 10 статора is в нулевую начальную фазу с нулеэатора28 поступаютодновременно на вхо- вым мгновенным значением ортофазного ды задатчика 35 угла фазового сдвига и тока 4л в опорнй фазе "А" статора. При р у р с орости, рег лято а 40 ско ости, вращении ротора 3 нулевая начальная фаза

На задающий вход задатчика 35 угла синхронизации фазного тока 4а в опорной фазового сдвига поступает сигнал задания l5 фазе "А" задается в момент совпадения про2 < граничной скорости аг, а на задающий стРанственных Угловых положений нулевой вход регулятора 40 скорости — сигнал зада- мет и-б и индикатоРа 8 нУлевой метки. Часния скорости й) Блок 34 управления вектором тока, включенный между регулятором 20 няется пропорционально частоте вращения векторного регулятора 23, устанавливает пульсов с выхода блока 10 формирования, . счетных импульсов на счетные входы синхного и синфазного токов в зависимости от соотношения текущей скорости ротора 3 и 25 косинусную функции угла поворота ротора заданной граничной скорости в р . 3 относительно неподвижной опорной оси

Сущность способа векторного управле- а, совпадающей с магнитной осью "а" ния синхронным электродвигателем 1(фиг. 1), опорной фаэной обмотки "А" статора, в том числе с постоянными магнитами 2 на Вектор тока статора 4, образуемый по роторе 3, заключается в том, что момент М 30 уравнению (1) симметричной системой фаэрегулируют при питании статорных обмоток ных токов 4, 4ь, lsc, регулируется в декарсимметричнымисинусоидальными фазными товых координатах у, х (фиг. 2а)

/ токами isa ist>! зс (фиг. 2а), угол фазового ориентированных осью "у" вдоль продольсдвига к которых относительно продоль- ной магнитной оси d ротора 3, благодаря ной магнитной оси d ротора 3 формируют за 35 векторному регулятору 23 (фиг, 1), счет векторного регулирования фазных то- При этом момент M двигателя форми мируков в зависимости от заданных величин мо- ется равным заданному моменту М промента М граничной скорости а р путем порциональному сигналу с выхода раэделbHorо измерения и рerулирoBaния р улятора 40 скорости, в соответствии с амплитуд lsyp, !р синфаэного (косинусои40 дального) и ортофазного (синусоидального) M - — Ер фр Q sin Ea (2) периодических токов lsy>, 4п, разность — р 3пед мгновенных величин которых образует фаз- Р ные токи 1„, 1,ь, 1„. При этом угловая ориен- ф — амплитУда фазного потокосцеплетация вектора тока статора

45 ния, возбуждаемого постоянными магнита3 ми; ! з = — (! за +1зь +lзс

2(s sc ) (1) — амплитуда фазного тока статоотносительно продольной магнитной оси н ра, равная модулю вектора тока статоротора 3 производится путем синхронизации дискретного изменения фазы указан- ед — угол фазового сдвига вектора l ных периодических токов зуд, )оп с тока статора относительно вектоРа фт попоявлением очередного импульса датчика

4, вращающаяся часть 5 которого, содержа- В нижнем диапазоне регулирования щаянулевуюметкуб,установленанароторе скорости при и <вг согласно УРавнению

3 и сориентирована так, чтобы нулевая мет- (2) оптимальный по макс муму момента М

55 ка 6 геометрически совпадала с продольной пРи огРаниченной амплитУде is тока статора магнитной осью 1 ротора 3 (с магнитной Режим при постоянстве амплитуды ф поосьюпостоянныхмагнитов2).Неподвижная токосцеплениЯ в воздушном зазоре сооТчасть 7 датчика 4, содержащая индикатор 8 ветствует Условию

1681371

Л

cq =. +.—

2 что реализуется при регулировании на нулевом уровне синфазного тока и проекции

isa = 0 вектора 4 тока статора, определяемого уравнением (1), на продольную ось d ротора 3, совпадающую по направлению с единичным вектором R магнитной оси ротора (фиг. 2а).

В верхнем диапазоне регулирования скорости при и в р ослабление магнитной связи статора и ротора реализуется регулированием ортогональной составляющей le вектора ф потокосцепления в воздушном зазоре относительно вектора 1з тока статора фм =ф slrt Ed (4)

Уменьшением регулируемого угла фазового сдвига eg согласно выражению (4) достигается ослабление эквивалентного магнитного поля, учаСтвующего в формировании момента, по закону

M = — Zpg® ls

2 (5)

Регулирование момента по законам (2), (5) осуществляется формированием фаэных токов статора в виде разности двух регулируемых фазных токов статара, периодически изменяющихся при изменении фазы р синхронизации, равной углу вращающейся декартовой системы координат у, х (фиг. 2а) относительно опорной оси о:, совпадающей с магнитной осью "а" опорной фазы "А" статора.

Первый из этих двух периодических фаэиых токов статора — синфазный ток статора — совпадает по фазе с фазой рз синхронизации и регулируется согласно выражениям:

Isyna = isyn t-OS res

2л synb — зуп COS (фз 3 ) (6)

4л

Isync = 1зуп СОВ (язв

t 4e isyna, 4упЬ, isync — синфазиые токи статора в фаэных обмотках А, В, С статора;

4уп — амплитуда синфазного тока статоОа) фз" фаза СИНХрОНИЭацИИ, раВНая ИЭМЕняемой фазе синфазного тока.

Симметричная система сиифаэных токОв 1зупа, 4упь, Isync РегУлиРУемых по закаиУ (6), образует вектор асуп синфаэнага така статора (фиг. 2а). Второй иэ двух периодических фазных токов статора опережает фазу фз СИНЭРОНИЭаЦИИ ИЛИ ОтатаЕт ОТ Нее На

Л угол +.— и регулируется согласно выраже2 ниям:

iorta = +! ort в1п у з

2л

iortb = + lort SIrt (Ps )

4л

5 Iortc = + Iort Slrt (Ps

3 (7) где i«a, iortb. Iortc — ортофаэные токи статора в опорных фазах А, В, С статора;

4п — амплитуда ортофазного тока статора;

10 уЪ вЂ” фаза синхронизации, ортогональная по отношению к ортофазному току.

Симметричная система ортофаэных токов, регулируемых по закону (7), образует вектор iort ортофазного тока статора

15 (фиг. 2а), Фазные токи статора формируют равными разности соответствующих регулируемых синфазных и ортофаэных токов статора:

Isa = Isyna torta, isb = Isynb Iortb;

Isc Isync огас

При задании нулевой амплитуды lsyn = 0 синфазного тока согласно уравнениям (6), 25 (7), (8) фазиые токи статора сдвинуты по фазе

Л на угол + — относительно фазы синхрони2 зации, Для того, чтобы в любых режимах неза30 висимо от возмущений со стороны нагрузки и управляющих воздействий вектор 4 тока

Л статора составил прямой угол +. — относи2 тельно продольной оси ротора, необходи35 мого регулировать нулевой синфазный ток и совмещать фазу <рз синхронизации с угловым положением 0 магнитной оси ротора относительно опорной оси d статора (ф и г. 26) по закону

40 рз =ZpО, (9) где Zp — число пар полюсов электродвигателя;

О- угловое положение магнитной оси ротора относительно магнитной оси опор45 иой фазной обмотки статора.

Уравнение (9) реализуется с помощью инкрементального (импульсного) датчика с нулевой меткой на вращающейся части указанного датчика, жестко закрепленной на роторе синхронного электродвигателя 1 с постоянными магнитами (фиг, 1), Индикатор 8 нулевой метки, установленный на неподвижной части инкрементального датчика 4, совмещают с магнитной

55 осью "а" опорной фазной обмотки "А" статора, а нулевую метку 6 на вращающейся части располагают вдоль магнитной оси d ротора 3 по продольной оси R ротора.

1681371

Задавая после этого нулевую начальную фазу р о синхронизации в момент прохождения нулевой метки и продольной оси d rlo магнитной оси "а" опорной фазы

"А" статора, обеспечивают дальнейшее выполнение уравнения (9), Измеряя амплитуды синфаэного и ортофазного токов относительно продольной оси d ротора и вектора R магнитной оси ротора по формулам:

Isyn = Is cos ed (10)

1 = lS Sirl erl (i 1) где Is — измеренная амплитуда фазнаго тока статора; и сравнивая их с соответствующими заданными амплитудами синфаэного и ортофазного токов, после завершения переходного процесса путем астатическога регулирования достигают равенства 5уп Isyn оп = lort . (12)

ГдЕ Isyn, Iort — ТрвбуЕМЫЕ аМПЛИТудЫ COOTBQTственно синфазнога и ортофаэнога токов статора, задаваемые входными управляющими воздействиями.

При выполнении условий (9); (10), (11), (12) вектор Is тока статора занимает угловое положение с,(фиг. 1б) с углом фазового

СДВИГа erl ОтНОСИтЕЛЬНО МаГНИтНОй ОСИ РОтора, равным ! ОГ кд = arctg

I зуя ort

= агс(9 — = 0 sym независимо от возмущений со стороны нагрузки, т,е. обеспечивается Векторное фаэотоковое регулирование момента синхронного электродвигателя с пастаянными магнитами.

Угол фазового сдвига ар вектора 4 тока статора относительно фазы р> синхронизации определяет угловое положение вектора

4 тока статора во вращающейся декартовой системе координат у, х (фиг. 2а, 2в), а фаза синхронизации задает текущее угловое положение вращающейся декартовой системы координату, хотносительно неподвижной опорной оси а вектора S, совпадающей с магнитной осью "а" опорной фазы

"А" статора, Это позволяет для осуществления способа векторного управления испольэовать известные прямое и обратное преобразования декартовых координат: прямое — иэ вращающейся системы координат у, х в неподвижную а,/3(фиг. 2а) при формировании требуемых фазных токов i», Isb, Iso, обратное — из неподвижной системы координат a,P во вращающуюся у, х при

55 измерении амплитуд синфазнагс и сркафа", НОГО тОкОВ Icyn,. Iorl статара, Те:ущее угловое положение (фазу <,,"-, си-нхронизации) враща ащ"..й-..-: декартовиг: системы координат у, х, в которой фарл ируют и затем измеряют синфазный и Оатафяз ный таки статара, задdro! yГ".Овыл1 положением ротора 3 путем задания начальНай фаЗЫ so СИНХРаНИэа ЦИИ ПРИ Са ВПВДСнии магнитчой оси d ротора с магнитной осью "а" опорной фазы "А" статора, и за1ем путем дискретного изменения фазы у.. синхронизации относительно начальной фазы

Pso СИНХРОНИЗаЦИИ ОтНаСИтЕЛЬНО НВЧВЛЬнай фазы синхронизации на малую дискрету Л р при угловом перемещении ротора на каждую дискрету ЛО.

При повороте ротора 3 на угол О, отли чающийся ат фазы p„- синхронизации более чем на одну дискрету Лу"; фазы синхронизации, очередным выходнь.м счетным импульсом инкрементальнога импульсного датчика 4 дискретно сдвигают фазу р; синхронизации на одну дискрету

Лр, в направлении поворота ротора 3, а при повороте ротора 3 на каждый полный оборот фаза синхронизации обнуляется да p« — 0 с поступлением импульса нулевой метки 6, в результате чего исключается возможность накопления ошибки по фазе у синхронизации относительно углового положения 0 ротора 3 при лк;бом характере изменения скорости его вращения.

Жесткая связь фазы у синхронизации с углам 0 вектора R углового положения магнитной Оси ротора 3 относительна неподвижнага век-ора S статара обеспечивает равенство угла фазового сдвига йр вектора

4 тока статора относительно фазы р, синхронизации углу фазового сдвига Fg Вектора

4 така статара относительно магнитной аси

d ротора 3.

Так как с точностью до одной дискреты Ar = ЛО (фиг. 2б) углы фазсвага сдвига бр и еа равны между собой, та, регулируя проекции вектора 4 тока статара 4„, 4, во вращающейся декартовой системе координат у. х, достигают одновременно как регулиравания его углового положения tp ва

Вращающейся декартовой системе координат у, х, так и равногоо ему с точностью да одной дискреты ЛО углового положения вектора 4 тока статара относительно магнитной оси d ротора 3.

При задании требуемого момента М и формировании различного соотношения ал1плитУД Isyn, Ior синфдзнОГО и ОРтафаэно11 гoo токов стагора согласно уравнению (13)

Об8спечива8! сй работа синхроннОГО злсктродв(Ага Ге(|Я 1! с постойнными магнитами В одном из трех режимов: с нулевым синфазным тс }м; с ненулевым синфазным токо 4, ИЗМЕНЯЕМЫМ В фуНКЦИИ ТР813УВМОГО М(ЭМеиia М; с ненулевым синфазным током, изменйемым в функции измеренноЙ скорости а

Вращения poTGpa.

Б первом режиме оптимального по максимуму моме !Та ве} TopHor!3 управлен(ия с нулевым синфазным током с|(4пл(лтуду IB тока статОра Q8гули, 3у|от пропо")I! Ионалы,О требуемому момен гу М, а управление яекТОРОМ !s ТОКа CTBTGPa ОСУ}ЦЕСТБЛ ЯЮТ СОГЛВСно следующим уравнениям: ! о;(=- К М:

Isyn = О;

-3Г

L, 2

1 . 1, — Iort — — Is

yê 1

Где !(((= ==-- — пос)оянный хоэ(гфиии3 .р фп ент пропорциональности, 1г 3 4ПЛИТуда фаЗНОГQ ТОKа С (аTО!)ai, В этом режиме момент IYË, опрвдел- 6мыЙ согласно ура внениг}14 t,14) тольKO B8/t,4чиной амплитУДЫ Is фазного TîKa СТаТСРа, максимален для заданных сум(ма!3нь}х тепЛОВЫХ ilOT8i3Ь МО(ЦНОСГИ Р В фаЗ IB!::: CQ

14ОТКак С Га Гoj33, ОП(38ДИЛЯ(1}г}}:(Х ПО фООМУЛ88

- si 1/", Где Rq. — активное сопрот|«в/|ение (!/..IBHQ(/! обмотки сга. Зр"..; эффективное (де icl в /}Ощее) -iaче. ние фазнoro тока статора, эк})ивалент}(ое lio нагреву синусоидальному фазному току стетора, УказанныЙ первь! Й режи; 1 я(3ля(, тся ÎiНОВНЫМ ДЛЛ 08Г)ВОПРИВОДОВ PO!3Q ГОВ I/! Г(РИ"

В О Д 0 В П О /) а i " a Н Х О В, О С Н а ((! 8 Н, -< Ы Х

C И H X P 0 h и j;,l " Э; 8 (1 !", О г(В!4! а (8 Л Я М И, j, О Н (Т"

PyÊÖt/tß КО(01)ЫХ ÎОЕСП8 tMB38j ХО}1:.(8, ;.:,(ацl/IIG маг il;ITI|ого ПGTQK3 возбу)((дэемо О постоянным .;:;:.arHttTa", I!4 на рото,",е, Gp! r/ТС Утст В И И !4 a r H (À T Í L,t Õ П От 0 }(О В Р Л С С Е и Н!/1 l,. фгб И paBB}!Cl Ве ВЕХТОра t/.(г ПОТОХОСЬ(еlt/I:-.НИЯ pOTUpa ВВК Top)/ 1/((г(1 ПОТОКОСЦ8| |Л ОН } (i/i воздушно зазоре.

Второ}11 режим ()еа/}и(зуетсЯ в сеовогip! jВодах робОтов и привОдах подач станков при наличии существенного рассеяния м/иНИТНОГО OG I OKa, ВОЗОУЖДЗЕМОГО ПОС го}1Н}-:Lми маГHYTBMI 8 этОм c/iучав экспериментально устанавливают oп- иМВЛЬНУЮ ЗавИСИМОСТЬ -fraa (|) -)ЗОВОГО C/(l)l

Га /. d 1ок3 статора Относител(>}}О /4c. Г}- }г | -)QЙ

Оси ротopa в функции момента "./; для ха "(((("

ГГ) ФИКС iPOBBHHOrO ЗНВЧЕ-i:.,1-,.,|С;. Р:-, !;-!аГруЗКИ }}р}1 разл}1 }НЫХ С(У(8". -:!(гл :: а 4Г!виту г, ортофазного и синфа-,t-;L1ão (3.:.Ов,:.,-доа.-,,-:,—

ВОРЯ ЮЩУ}0 KP!/ITI(Pg|0 (;-|-|-, 03ВЛЕНИЯ ПО МВКСИ}!V!4V М(1,".i8(- т(. к (М ..с . | г

ЯП "(i ( г ) ) (.

}30 (-(8 Г / (("; .,a B/a HI/ }i,1 ((г(|(н в(1ь г(ОЙ тг)8 11 г ((Г(Я а(ИПЛИт /ДЫ |;1((: г(—, (3!1! (()а,h IГ„/ ((Эка "}-ат(- па (L1 (|1(,(Ь(К ; Иг| -i О, ((, 8«,:;(;| 0 /,(|О "..," : (;i - 1/и а вi

".Вг И8 Ве}(т(300(4 I-., Т. (. (а Crr-i.: 0(ia В Г|." }-П(|Л; (, „38б(--МОГО М. 148! г„-., "„,! С .(:Е-;О,, (I,- Пr;: »;,,—

i42ГНИ1НОИ О()|4(pOT(3p» СGr! jaCHQ /РВВHB!i(г я Хг(, (м 1(/1 (/

t — . aiñû !

"(:

Iort -

t В у((I v! ./,„ 1,"1 (}И|,А. (|ЗУ ., дг)„ (0}1(CKQ,;.г;- ° (л((!РН(:,(i (-,Сг(хэi3, П }3 TIHT(ail i >BH ДЛЯ П| И ВОД(IB r)ta В (Ч (ГП гг q" же:-|Ив:.:етал/100брабаТЫ }1а|(,1()(ИХ ."."I а Н Кг .(птQO Ы) y,,—,;3(10 }(((}Р(г)г г P г|Г(Я(0 Г1 б

Х };„8 1 а Л Л а l i Р И У В 8 Л (1 Ч 8,-(;„1 (г, (К (; 0 ":. -,".;, В 0 -., 1 (;.

° 4-" }10ТОРВ Тг(80УЮ } t1Q .(!/ :,8 . .".(ÈÅ 3 (Ы)ежИ! постоя|-!0(в„:(v«)LILIH(}cT(Fi = !«i Г:: (=aч 4j в;,:- (3j(C(l 0p0É } 3aH|1-гНО,1 СКО 30(т:,1 Г/3(,. Ri).=L(:

f5 al0; рЕ>| ИМЕ О::абЛЕ-|ИЕ 143Г.-гнтчой

СВЯЗИ Гт-3 (Ппа и 0 "/то:}Я I.(iã !/:,".Г 6}33((г ,,(П /(-1

Яl:;. (/);. (;: Q/ .",(Il(8("(ВЛЯЕ; — С;", П:,. ",;.;;; У;,;8(-: .:;.(Э(;:,;q

1 ala (()33GBQI ") Г ГВ(}ГВ Г-(8(((0(а !я Т(а г

: (i (х(П (38 ВЫ В(е i!4/ft 3(}CI. (((о },-ioi)i ".18(Ич „.,}, ы G!

:;U

}":ai« :ЕР8!(HL)l-" СКО(3ОСТ}1 !Л) BPat}(ен} (Я Потова :. Ы Ш1 (I„,3НИЧ iol(L }.GI3()С Пг((, .;,д BPal Це, -,ИЯ - 1(3г

Ора в сс(отпетствии с в(-!03)<ениями:, (L r В я!и (т ( L (х, i() .. П/1 Г( (! В-ПРИ(М(811, ПРИ УГ(ЕЛl" 8H< ii" .::ÎPOCT!4 (// lpa Цр} Ия GO(Qpa До деуi(oaòíãË} ВЕЛИЧИН (Г(тс}п

Гдв !(:;, — OG!T!.f43Л!;H,(Й -;(- (Г1;., Т: — г гг}0- !.1:. П}.;;/,-(;» 0 | (3., -1 ((8 . j/j Т::-";; I! Q J! (i; (, -; Э С i I }г(} Е;. :(i/;, 4 r „-.;,:, r-13

1681371 носительно граничной скорости и р вращения ротора эквивалентное значением магнитного потока, формирующего момент, согласно уравнениям (5), (18) уменьшается в два раза за счет уменьшения угла фазового д сдвига ед с величины — при й) = шар до

Л величины — при cu = 2 согр

В этом случае входным воздействием задают требуемую амплитуду1тока статора, равную требуемой амплитуде фазного тока статора, измеряют действительную скорость в вращения ротора и вычисляют согласно выражениям (18) требуемый угол фазового сдвига я3

tg = arcsin — ()

Затем регулируют ортофаэный ток обратно пропорционально измеренной скорости в вращения ротора

I ar =Is sin Ч =Is — 3(Ф н гИ (20)

Для обеспечения уменьшения действительного угла фазового сдвига е = яд соответственно увеличивают синфаэный ток с ростом измеренной скорости ш > м p вращения ротора согласно уравнению () р )

Управление по законам (18), (19), (20) обеспечивает режим постоянства мощности, аналогичный режиму ослабления магнитного поля в электроприводах постоянного тока с независимым возбуждением.

При превышении абсолютной величиной действительной скорости I в I вращения ротора 3 величины граничной скорости в р вращения ротора 3, заданной сигналом на ф входе игр задания граничной скорости блока 34 управления вектором тока (фиг. 1), задатчик 35 угла фазового сдвига преобразовывает код действительной скорости ж вращения ротора 3 в арксинусной зависимости от величины, обратно пропорциональной измеренной скорости в вращения ротора 3 в соответствии с уравнением (19).

На выходе задатчика 35 угла фазового сдвига образуется код требуемого угла фазового сдвига е вектора Is тока статора относительно магнитной оси d постоянных магнитов 2 в технологическом режиме постоянства мощоности электропривода

Isyn — Is (гЕ )2 g (26) т где I> — требуемая амплитуда тока статора, пропорциональная входному управляющему воздействию, подаваемому на управляющий вход блока 34 управления вектора тока.

В результате снижения ортофаэного тока статора и увеличения синфазного тока статора с ростом скорости ш вращения ро45 тора при а > вгр за счет регулирования фазы тока статора происходит ослабление магнитной связи между статором и ротором

3 в соответствии с уравнением (4), аналогичное ослабление магнитного потока в электро50 двигателях с независимым возбуждением, В этом режиме скорость ш вращения ротора 3 регулируют в соответствии с велиlent чиной требуемой скорости ю вращения ро55 тора, заданной на входе пропорционально-интегрального регулятора 40 скорости, а момент уменьшают с ростом в > в р обратно пропорционально измеренной скорости в вращения ротора 3 согласно выражению

P = M ю =- const. Код г, изменяемый в функции измеренной скорости (и вращения ротора согласно выражению

) 0$

5 ед (и) = arcsln — — "u (22) подается на цифровые входы цифроаналоговых преобразователей 38, 39, на аналоговые входы которых поступает сигнал требуемой амплитуды Is тока статора. На выходе первого цифроаналогового преобразователя 38 образуется сигнал требуемой амплитуды ортофазного тока статора, равной () () (23) на выходе второго цифроаналогового преобразователя 39 формируется сигнал требуемой амплитуды Isyn синфазного тока статора, равной

20 1... (в) =4 cos co (в)

Я(3(С Р (r.24)

В результате астатического регулирования ортофазногоо тока статора действи-. тельная величина амплитуды ортофазного отока статора, измеренная на

25 ортофаэном выходе блока 27 обратного и реобраэования декартовых координат, изменяется по закону

I огт — Is (+ (25)

30 а действительная величина амплитуды Iy> синфазного тока статора, измеренная на синфазном выходе блока обратного преобразования декартовых координат, изменяется по закону

1681371

16 s « п (28)

Это позволяет при одном и том же нагреве обмоток статора увеличить длительный момент синхронного электродвигателя

10 с постоянными магнитами в Г2 раз, так как из уравнений (2), (3), (28) следует

Mrnax = Л Мп (29) где M,„— максимально допустимый по нагрееу длительный момент синхронного

15 электродвигателя с постоянными магнитами при векторном управлении согласно предложенному способу;

Мп — максимально допустимый по нагреву длительный момент вентильного элек20 тродвигателя с постоянными магнитами при питании постоянными фазными токами, Эффективность предложенного технического решения достигается за счет повышения момента синхронного

25 электродвигателя с постоянными магнитами на 40 ь, повышения точности регулирования момента благодаря снижению пульсаций мгновенной величины момента и астатическому регулированию фазы тока

30 статора и его угла фазового сдвига относительно магнитной оси ротора.

Формула изобретения

1. Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными

35 магнитами на роторе, согласно которому формируют в зависимости от входного управляющего воздействия фазные токи статора, равные разности двух раздельно регулируемых по амплитуде периодических

40 токов, синусоидального и косинусоидального, изменяемых в функции частоты вращения ротора, отл ич а ю щи и ся тем, что, с целью повышения энергетических и динамических показателей электродвигателя

45 при повышении точности регулирования момента и скорости за счет регулируемой ориентации вектора тока статора относительно продольной магнитной оси ротора, расширения функциональных свойств и ди50 апазона регулирования скорости путем обеспечения режима постоянства мощности при ослаблении магнитного взаимодействия статора и ротора, косинусоидальный ток регулируют с нулевой амплитудой,а си55 нусоидальный — с амплитудой, пропорцио. нальной величине входного управляющего воздействия, затем при нарастании частоты вращения ротора выше заданной граничной величины уменьшают амплитуду синусоидального тока обратно пропорционально эти свойства путем регулирования фазы пере

3 что обеспечивает режим постоянства мощности Р - M в = const, требуемый для приводов главного движения металлообрабатывающих станков.

В энергетическом отношении сущность предложенного технического решения состоит в том, что в отличие от вентильного электропри вода энергетические свойства (момент, мощность, КПД) синхронного электродвигателя с постоянными магнитами как электромеханического преобразователя энергии задают не только физическими свойствами активных частей электродвигателя, но и процессами векторного управления током статора, направленно изменяя менного тока статора относительно магнитной оси постоянных магнитов.

Эффективность такого векторного фазотокового регулирования момента и мощности поясняется диаграммой (фиг. 3).

Вентильный электродвигатель как бесщеточный электродвигатель постоянного тока питается постоянными токами In, поочередно протекающими в фазных обмотках статора, в связи с чем при заданных тепловых потерях в фазных обмотках статора, пропорциональных квадрату величины постоянного тока Iri, его длительно допустимый по нагреву момент ограничен величиной М, пропорциональной величине постоянного тока I .

Длительно допустимый по нагреву момент может быть несколько повышен до веЛИЧИНЫ Мт nPI4 ПИтаНИИ фаэНЫХ QGMGTQK статора токами трапецеидальной формы, эквивалентными по нагреву обмоток статора постоянному току I<.

При питании фазных обмоток статора синусоидальными токами момент ограничен не только нагревом обмоток статора, но и текущим фазовым сдвигом обобщенной намагничивающей силы статора относительно намагничивающей силы ротора.

Регулируя согласно предложенному техническому решению указанный угол фазового сдвига Ed на оптимальном уровЛ не + —, достигают одновременно независимости момента M от фазового сдвига и пропорциональности момента амплитуде 4 синусоидального фазного тока, действующее (эквивалентное по нагреву и мощности потерь) значением которого в 1 2 раз меньше амплитуды 4.

При одних и тех же потерях мощности, определяемых по уравнению (15), и при одинаковом нагреве обмотки статора действующее значение I синусоидального фазного тока равно постоянному току in, протекающему в.фазной обмотке статора вентильного электродвигателя, в связи с чем обеспечивается равенство

1681371 частоте вращения ротора и соответственно увеличивают амплитуду касинусоидального тока, при этом фазы обоих перидических токов одновременно дискретно изменяют на величину, пропорциональную приращению угла поворота ротора, образуя дискретное приращение фаэ, мгновенную величину синусоидального тока и фазу косинусоидального тока в одной из фазных обмоток статора, образующей опорную фазную обмотку, регулируют равными нулевым значениям при условии совпадения продольной магнитной оси ротора с магнитной осью опорной фазной обмотки статора, 2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что дискретное приращение фаз периодических токов формируют в момент появления счетного импульса с помощью импульсного датчика, установленного на электродвигателе, а нулевую фазу касинусоидального тока B опорной фазнай

5 обмотке задают в момент появления импульса нулевой метки импульсного датчика, вращающаяся часть которого, содержащая нулевую метку, установлена на роторе и сориентирована так, чтобы нулевая метка гео10 метрически совпадала с продольной магнитной осью ротора, а неподвижная часть импульсного датчика, содержащая индикатор нулевой метки, жестко закреплена на статоре и сориентирована так, чтобы уг15 ловое положение индикатора нулевой метки геометрически совпадало с магнитной осью опорной фазной обмотки статора, 1681371

Lg

imp

Фи8, 5

Составитель Н. Дьякова

Редактор А. Маковская Техред M.Моргентал Корректор M. Шароши

Заказ 3316 Тираж 336 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101