Способ управления синхронным двигателем

 

Изобретение относится к электроприводам на базе синхронных двигателей и может иметь промышленное применение, например, в робототехнике, в устройствах жизнеобеспечения в космосе /центрифугах, сепараторах, компрессорах/. Существо изобретения: в способе управления синхронным двигателем, при котором определяют гармонические функции двойного угла поворота продольной оси ротора, преобразуют указанные функции в опорные гармоничные функции одинарного угла, формируют управляющее напряжение постоянного тока и подают токи в фазные обмотки двигателя в соответствии с упомянутым управляющим напряжением и полученными опорными функциями, в начальный момент управления непосредственно после подачи управляющего напряжения определяют начальное физическое направление вращения, сравнивают его с требуемым и при их несовпадении изменяют знаки опорных гармонических функций одинарного угла поворота продольной оси ротора. Технический результат: обеспечивается точное соответствие задаваемого и истинного направлений вращения двигателя, устраняется неоднозначность управления, определяемая электронным датчиком двойного угла, и расширяется область применения. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам на базе синхронных двигателей, и может иметь промышленное применение, например, в робототехнике, в устройствах жизнеобеспечения в космосе (центрифугах, сепараторах, компрессорах).

Известен способ частотно-токового управления синхронным двигателем (СД), при котором определяют опорные гармонические функции угла поворота продольной оси ротора с помощью электромеханического датчика угла типа СКВТ, установленного на валу СД, формируют управляющее напряжение постоянного тока, полярность которого определяет знак момента и направление вращения СД, подают токи в фазные обмотки СД в соответствии с упомянутыми управляющим напряжением и опорными гармоническими функциями [Авторское свидетельство СССР N186018, МКИ H 02 P 5/34 1962 г.].

Недостатком указанного известного способа является сложность реализации и настройки, связанные с установкой и фазировкой датчика угла (СКВТ) .

Известен способ формирования опорных гармонических функций одинарного угла поворота продольной оси ротора с помощью электронной следящей системы, при котором указанные функции получают с помощью управляемого генератора фазы, преобразуют их в гармонические функции двойного угла поворота продольной оси ротора, сравнивают полученные функции двойного угла с измеренными специальным датчиком и по результатам этого сравнения, а также по информации с выходов датчиков фазных ЭДС корректируют выходные функции управляемого генератора фазы [Авторское свидетельство СССР N 1319225, МКИ H 02 P 7/42, 1985 г.].

Электропривод, построенный с использованием указанного известного способа, конструктивно прост, т. к. не содержит электромеханического датчика угла типа СКВТ, однако имеет ограниченную полосу пропускания и большие ошибки регулирования в переходных режимах из-за наличия электронной следящей системы в контуре управления СД.

Наиболее близким по технической сущности к предложению является способ частотно-токового управления синхронным двигателем, при котором определяют гармонические функции двойного угла поворота продольной оси ротора, преобразуют указанные функции в опорные гармонические функции одинарного угла поворота продольной оси ротора, формируют управляющее напряжение постоянного тока, полярность которого определяет знак момента и направление вращения синхронного двигателя, и подают токи в фазные обмотки двигателя в соответствии с упомянутыми управляющим напряжением и опорными гармоническими функциями одинарного угла поворота продольной оси ротора. [Авторское свидетельство СССР N 1014117, МКИ H 02 P 5/34, 7/42, 1981 г.] Недостатком указанного известного способа, выбранного за прототип, является ограниченная область применения, связанная с неоднозначностью управления, из-за которой фактическое направление вращения СД может не совпадать с направлением вращения, заданным полярностью управляющего напряжения (определяется наличием датчика двойного, а не одинарного угла).

Целью изобретения является получения жесткого соответствия между заданным и фактическим направлениями вращения и за счет этого расширение области применения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления синхронным двигателем, при котором определяют гармонические функции двойного угла поворота продольной оси ротора, преобразуют указанные функции в опорные гармонические функции одинарного угла поворота продольной оси ротора, формируют управляющее напряжение постоянного тока, полярность которого определяет знак момента и направление вращения синхронного двигателя, и подают токи в фазные обмотки двигателя в соответствии с упомянутыми управляющим напряжением и опорными гармоническими функциями одинарного угла поворота продольной оси ротора, дополнительно в начальный момент управления непосредственно после подачи управляющего напряжения определяют начальное фактическое направление вращения продольной оси ротора, сравнивают его с требуемым направлением вращения, определяемым полярностью управляющего напряжения, и при несовпадении фактического и требуемого направлений вращения изменяют знаки у опорных гармонических функций одинарного угла поворота продольной оси ротора.

На чертеже представлен пример реализации предложенного способа управления с использованием элементов цифровой техники.

Электропривод, реализующий предложенный способ управления, содержит синхронный двигатель 1, фазные обмотки W_g, W_f которого подключены к выходам соответствующих усилителей токов 2, 3. Управляющие входы усилителей токов подключены к выходам микропроцессора 4. Первый вход микропроцессора 4 соединен через коммутатор 5 с выходом задающего устройства 6, а второй подключен к выходу датчика 7 двойного угла 2Θ поворота продольной оси d ротора синхронного двигателя 1. На выходах датчика формируются аналоговые напряжения, соответствующие гармоническим функциям sin 2Θ, cos 2Θ. Входы датчика 7 подключены к выходам датчиков 8,9 фазных токов i_g, i_f и датчиков 10,11 фазных напряжений U_g, U_f синхронного двигателя 1.

Микропроцессор 4 содержит координатный преобразователь 12, управляющий вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 13 с кодом управляющего напряжения U_y^*, а входы для опорных функций - к выходам преобразователя кодов 14 с кодами опорных гармонических функций sin Θ^*, cos Θ^*. Вход аналого-цифрового преобразователя 13, на который поступает аналоговое управляющее напряжение U_y, образует первый вход микропроцессора 4, второй вход которого образует вход аналого-цифрового преобразователя 15, подключенного выходом к входу формирователя 16 кода одинарного угла Θ^* поворота продольной оси ротора.

Выходы координатного преобразователя 12 с кодами заданий фазных токов i_g^*, i_f^* подключены к входам цифроаналогового преобразователя 17, выходы которого с аналоговыми заданиями фазных токов i_g^**, i_f^** образуют выходы микропроцессора 4.

Выход формирователя 16 с кодом одинарного угла Θ^* поворота продольной оси ротора подключен через определитель 18 фактического направления вращения к одному из входов элемента 19 сравнения направлений вращения, другой вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 13.

Выход формирователя 16 подключен также к одному из входов сумматора 20 кодов, другой вход которого через управляемый коммутатор 21 подключен к выходу задатчика 22 дополнительного кода. Управляющий вход коммутатора 21 подключен к выходу элемента 19 сравнения направлений вращения.

Все устройства электропривода по цепям питания подключены через коммутатор 23 к выходу источника 24 внешнего питания.

Микропроцессор 4 выполнен с использованием стандартных схем и узлов цифровой техники.

Электропривод функционирует следующим образом.

С помощью коммутатора 23 подают напряжение питания от источника 24 внешнего питания на все устройства электропривода.

По информации о фазных токах i_g, i_f с выходов датчиков 8,9 и фазных напряжениях U_g, U_f с выходов датчиков 10,11 в датчике 7 двойного угла поворота 2Θ продольной оси d ротора формируются аналоговые напряжения, соответствующие гармоническим функциям sin 2Θ и cos 2Θ. Эти напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя 15 преобразуются в цифровой код угла 2Θ^*. В формирователе 16 код двойного угла 2Θ^* преобразуется в код одинарного угла Θ^* путем деления на два. Однако при этом полученный код угла Θ^* может отличаться от кода истинного угла Θ на код, соответствующий углу π (это связано с отсутствием в приводе датчика одинарного угла Θ). Необходимая в этом случае коррекция производится с помощью сумматора 20 кодов, на входы которого поступают код одинарного угла Θ^* с выхода формирователя 16 и код угла π с выхода задатчика 22 через управляемый коммутатор 21.

Управление коммутатором 21 производится по результатам сравнения на входах элемента сравнения 19 кода управляющего напряжения U_y^* (определяющего заданное направление вращения) и кода приращения ΔΘ^* истинного угла поворота.

Преобразователь 14 кодов преобразует код одинарного угла Θ^* в коды гармонических функций sin Θ^*, cos Θ^*, поступающие на опорные входы координатного преобразователя 12.

В координатном преобразователе 12 реализуются следующие соотношения: i_g^* = U_y^* · cos Θ; i_f^* = -U_y^* · sin Θ, где i_g^*, i_f^* - коды заданных фазных токов, U_y^* - код управляющего напряжения.

Полученные коды i_g^*, i_f^* заданных фазных токов преобразуются с помощью цифроаналогового преобразователя 17 в аналоговые задания i_g^**, i_f^** фазных токов.

Т.к. коммутатор 5 в исходном состоянии разомкнут, то на входе преобразователя 13 управляющее напряжение U_y отсутствует и, следовательно: i_g^* = O; i_f^* = O; i_g^** = O; i_f^** = O
При этом в фазных обмотках синхронного двигателя 1 протекают только пульсирующие токи с высокой частотой, определяемые переключением силовых ключей в усилителях токов 2,3, а напряжения U_g, U_f имеют прямоугольную форму.

Непосредственно после подачи питания от внешнего источника 24, через 1-2 сек замыкают контактор 5 и управляющее напряжение и U_y поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13, с помощью которого преобразуется в код U_y^* со знаком, соответствующим полярности U_y и заданному направлению вращения двигателя 1.

После преобразований в координатном преобразователе 12 в соответствии с (1) и цифроаналоговом преобразователе 17 получают аналоговые задания i_g^**, i_f^** фазных токов, которые поступают на управляющие входы соответствующих усилителей токов 2, 3.

В фазных обмотках двигателя при этом формируются токи i_g, i_f, которые создают вращающий момент, и ротор двигателя 1 начинает вращение.

Код угла Θ^* с выхода формирователя 16 поступает также на вход определителя 18, в котором с высокой частотой опроса определяют код приращения ΔΘ^* угла Θ^* с учетом знака, т.е. определяют фактическое направление вращения.

Знак кода ΔΘ^* непрерывно сравнивают со знаком кода управляющего напряжения U_y^* с помощью элемента сравнения 19. Если указанные знаки окажутся различными, то включается коммутатор 21 и с выхода задатчика 22 на вход сумматора кодов 20 однократно поступает код угла π, благодаря чему производят изменение знака кодов sin Θ^*, cos Θ^* опорных функций на входах координатного преобразователя 12.

С этого момента указанные опорные функции в точности соответствуют истинному углу Θ поворота продольной оси ротора. При этом в фазных обмотках двигателя 1 формируются токи i_g, i_f, обеспечивающие знак момента на валу и направление его вращения, в точности соответствующие полярности управляющего напряжения U_y.

В электроприводе таким образом устраняется начальная неоднозначность управления, определяемая электронным датчиком 7 двойного угла 2Θ продольной оси ротора, и расширяются области его возможного применения. Далее работа привода аналогична работе привода с электромеханическим датчиком угла Θ.
При отключении внешнего источника питания 24 описанный процесс восстановления в схеме управления истинного угла Θ повторяется.

Формула изобретения

Способ управления синхронным двигателем, при котором определяют гармонические функции двойного угла поворота продольной оси ротора, преобразуют указанные функции в опорные гармонические функции одинарного угла поворота продольной оси ротора, формируют управляющее напряжение постоянного тока, полярность которого определяет знак момента и направление вращения синхронного двигателя, и подают токи в фазные обмотки двигателя в соответствии с упомянутыми управляющим напряжением и опорными гармоническими функциями одинарного угла поворота продольной оси ротора, отличающийся тем, что в начальный момент управления непосредственно после подачи управляющего напряжения определяют начальное фактическое направление вращения продольной оси ротора, сравнивают его с требуемым направлением вращения, определяемым полярностью управляющего напряжения, и при несовпадении фактического и требуемого направлений вращения изменяют знаки у опорных гармонических функций одинарного угла поворота продольной оси ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1