Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих системах автоматического регулирования и управления. Техническим результатом является получение оптимальной точности и быстродействия регулятора фазных токов (момента) вентильного двигателя и характеристик вентильного двигателя, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. В способе управления вентильным двигателем трехфазное напряжение питания синхронного двигателя формируется из знака разности демодулированного сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя. В следящую систему дополнительно введены трехфазное реле, трехфазный датчик тока синхронного двигателя и трехфазный сумматор. Суммирующий и вычитающий входы сумматора соединены соответственно с выходами трехфазного демодулятора и трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя. Выход трехфазного сумматора соединен с входом трехфазного реле, выход которого соединен с входом трехфазного преобразователя. Выход трехфазного преобразователя соединен с токовым входом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, токовый выход которого соединен с синхронным двигателем. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к управляемым электрическим двигателям, в частности к классу вентильных двигателей (бесколлекторных двигателей постоянного тока - БДПТ), и может найти применение вместо коллекторного двигателя постоянного тока, например, в следящих системах автоматического управления и регулирования.

Известны способы управления вентильным двигателем, основанные на преобразовании утла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя и формировании из него трехфазного напряжения питания двигателя, при котором ток, подводимый к фазам статора, изменяется по прямоугольному закону, как и в нормальном коллекторном двигателе постоянного тока [Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М., Энергия, 1967].

Такой способ управления позволяет получить характеристики вентильного двигателя, аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, однако вентильный двигатель при этом имеет малую перегрузочную способность, пониженный коэффициент использования синхронного двигателя. Непостоянство момента за один оборот вала затрудняет получение низких скоростей вращения.

Из известных способов управления вентильным двигателем наиболее близким по технической сущности является способ, который выбран в качестве прототипа для заявляемого способа. Данный способ основан на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону [В.А.Головацкий и др. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых схемах. В кн. Электронная техника в автоматике. Сборник статей под ред. Ю.И.Конева. Выпуск 4. М., 1973, стр.34-37].

Такой способ управления позволяет устранить указанные недостатки, обеспечивая плавное и широкое регулирование скорости вентильного двигателя, малые пульсации момента и высокий к.п.д. Однако статические и динамические характеристики вентильного двигателя при таком способе управления существенно отличаются от характеристик коллекторного двигателя постоянного тока [В.Н.Крывой и др. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. М., Информэлектро, 1970, стр.5-8], что является недостатком известного способа. Кроме того, фазные токи (момент) вентильного двигателя отрабатываются при таком способе управления не оптимально по быстродействию и точности.

Известны схемы вентильных двигателей, содержащие трехфазный синхронный двигатель, подключенный к выходу трехфазного преобразователя, который подводит ток к фазам статора, изменяющийся по прямоугольному закону, как и в нормальном коллекторном двигателе постоянного тока, датчик положения ротора синхронного двигателя, выход которого связан с входом преобразователя [Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М., Энергия. 1967].

Такой вентильный двигатель позволяет получить характеристики, аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, однако имеет при этом малую перегрузочную способность, пониженный коэффициент использования синхронного двигателя. Непостоянство момента за один оборот вала затрудняет получение низких скоростей вращения.

Из известных вентильных двигателей наиболее близким по технической сущности является вентильный двигатель, который взят в качестве прототипа для заявляемого устройства. Данный вентильный двигатель содержит трехфазный синхронный двигатель, подключенный к выходу трехфазного преобразователя, среднее значение выходного напряжения которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, обмотка возбуждения которого соединена с выходом модулятора, на вход модулятора подается напряжение управления, выход трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя подключен к входу трехфазного демодулятора, а выход трехфазного демодулятора соединен со входом трехфазного преобразователя [В.А.Головацкий и др. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых схемах. В кн. Электронная техника в автоматике. Сборник статей под ред. Ю.И.Конева. Выпуск 4. М., 1973, стр.34-37].

Такой вентильный двигатель позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить плавное и широкое регулирование скорости, малые пульсации момента и высокий к.п.д. Однако его статические и динамические характеристики при такой известной схеме существенно отличаются от характеристик коллекторного двигателя постоянного тока [В.Н.Крывой и др. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. М., Информэлектро. 1970, стр.5-8], что является недостатком известного вентильного двигателя. Кроме того, фазные токи (момент) вентильного двигателя отрабатываются схемой не оптимально по быстродействию и точности.

Задачей настоящего изобретения является получение оптимальной точности и быстродействия регулятора фазных токов (момента) вентильного двигателя и характеристик вентильного двигателя, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока.

Данная задача решается тем, что в известном способе управления вентильным двигателем, основанным на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный демодулированный электрический сигнал датчика положения ротора синхронного двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания синхронного двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазное напряжение питания синхронного двигателя формируется из знака разности демодулированного сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя.

Данный способ может быть использован в любой следящей системе с вентильным двигателем вместо коллекторного двигателя постоянного тока.

Для пояснения способа воспользуемся уравнениями Горева-Парка в координатах d, q [A.A.Горев. Переходные процессы синхронной машины. М.: ГЭИ, 1950] для синхронного двигателя при токе возбуждения I_f=const:

где υ - угол поворота ротора синхронного двигателя, υ=∫ωdt+υ₀,

ρ=120° - угол сдвига осей фазных обмоток относительно друг друга,

R - активное сопротивление обмотки статора двигателя,

L - коэффициент индукции по продольной оси двигателя,

λ - коэффициент явнополюсности,

J - момент инерции вращающихся масс,

М - коэффициент взаимоиндукции между обмотками статора и ротора,

m_эм - электромагнитный момент вращения вала двигателя,

m_н - момент нагрузки на валу двигателя.

Из уравнений (1) следует, что синхронный двигатель представляет собой объект регулирования с двумя управляющими воздействиями: u_d и u_q. Воспользовавшись теорией аналитического конструирования регуляторов А.А.Красовского [Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 558 с.] или более простой в использовании, изложенной в [В.В.Сурков, Б.В.Сухинин и др. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 300 с.], запишем оптимальные по точности и одновременно оптимальные по быстродействию законы управления для регуляторов токов i_d и i_q:

где U_m - напряжение питания преобразователя;

i_dзад, i_qзад или u_dзад, u_qзад - заданные значения сигналов управления для регулятора тока i_d и i_q соответственно;

k - коэффициент пропорциональности, k>0.

Обозначим

Из формул (6)-(8) следует, что рассматриваемый способ требует трехфазного задатчика тока (датчика положения ротора), трехфазного датчика тока двигателя и трехфазного реле.

Предлагаемый способ реализуется в следящей системе с вентильным двигателем, содержащей последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя и трехфазный демодулятор, трехфазный преобразователь, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя. В следящую систему дополнительно введены трехфазное реле, трехфазный датчик тока синхронного двигателя и трехфазный сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом трехфазного демодулятора, а вычитающий вход с выходом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, выход трехфазного сумматора соединен с входом трехфазного реле, выход трехфазного реле соединен с входом трехфазного преобразователя, выход которого соединен с токовым входом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, а токовый выход трехфазного датчика тока синхронного двигателя соединен с синхронным двигателем.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема следящей системы, реализующей способ оптимального по быстродействию и точности управления токами (моментом) вентильного двигателя.

Система содержит модулятор 1, выход которого соединен со входом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 2, сигнал с которого поступает на трехфазный демодулятор 3, выход трехфазного демодулятора соединен с первым суммирующим входом трехфазного сумматора 4, результирующий сигнал с выхода трехфазного сумматора поступает на трехфазное реле 5, выход реле подключен ко входу трехфазного преобразователя 6, выход трехфазного преобразователя соединен со входом трехфазного датчика тока синхронного двигателя 7, его токовый выход соединен со входом трехфазного синхронного двигателя 8, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 2, второй вычитающий вход трехфазного сумматора 4 соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя 7.

Система работает следующим образом. Входное напряжение U_BX (сигнал управления) преобразуется модулятором 1 в напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (500-20000 Гц) с амплитудным значением, равным U_BX, и подается на обмотку возбуждения датчика положения ротора 2, например, сельсина, ротор которого механически соединен с ротором синхронного двигателя. Сигнал с обмоток синхронизации сельсина подается на трехфазный демодулятор 3, на выходе которого появляется напряжение задания на оптимальный регулятор:

где k₁ - общий коэффициент преобразования модулятора, датчика положения ротора синхронного двигателя и демодулятора;

ω - скорость вращения ротора синхронного двигателя;

θ - угол установки датчика положения ротора синхронного двигателя относительно ротора синхронного двигателя.

Посредством трехфазного сумматора 4 из трехфазного напряжения (10) с выхода демодулятора вычитается трехфазное напряжение, получаемое от трехфазного датчика тока синхронного двигателя 7, и подается на вход трехфазного реле 5, выходной сигнал которого подается на вход трехфазного преобразователя 6, на выходе трехфазного преобразователя 6 появляется трехфазное напряжение u_A, u_B, u_C, изменяющееся в соответствии с оптимальным законом управления (6)-(9). В качестве трехфазного преобразователя в схеме используется, например, трехфазный мост из шести транзисторов (тиристоров), которые работают в ключевом режиме.

Воспользовавшись соотношениями (2), (3), (9), найдем u_dзад и u_qзад регуляторов (4) и (5), соответствующие заданиям (10):

При этом оптимальные управления (4), (5) примут вид:

Из (13) следует, что при установке датчика положения ротора в нулевое положение (θ=0) регулятор тока i_d стабилизирует ток i_d на нулевом уровне оптимально по быстродействию и поддерживает его оптимально по точности так, что i_d=0. При этом уравнения (6) - (8) с учетом (9), (10) при θ=0 приводятся к виду:

По уравнениям (15) построена структурная схема (см. чертеж).

Уравнения (1) с учетом (13), (14) при θ=0 преобразуются к виду:

Полученные уравнения приводят к следующим выводам. Во-первых, дифференциальные уравнения (16) полностью аналогичны дифференциальным уравнениям коллекторного двигателя постоянного тока. Следовательно, и статические и динамические характеристики при управлении вентильным двигателем по предлагаемому способу полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Во-вторых, поскольку из третьего уравнения (16) следует, что ток i_q пропорционален электромагнитному моменту, то регулятор тока (17) является одновременно и регулятором момента. То есть при таком способе управления вентильным двигателем он приобретает дополнительно свойства оптимального по быстродействию и одновременно оптимального по точности моментного двигателя.

Точность работы современных систем автоматического регулирования обычно ограничивается ошибкой системы. Предлагаемый способ позволяет свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет их функциональные возможности.

1. Способ управления вентильным двигателем, основанный на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный демодулированный электрический сигнал датчика положения ротора синхронного двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания синхронного двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, отличающийся тем, что трехфазное напряжение питания синхронного двигателя формируют из знака разности сигнала демодулированного сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя.

2. Следящая система, содержащая последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный преобразователь, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены трехфазное реле, трехфазный датчик тока синхронного двигателя и трехфазный сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом трехфазного демодулятора, а вычитающий вход с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, выход трехфазного сумматора соединен с входом трехфазного реле, выход трехфазного реле соединен с входом трехфазного преобразователя, выход которого соединен с токовым входом трехфазного датчика тока, а токовый выход трехфазного датчика тока соединен с синхронным двигателем.