Способ регулирования частоты вращения электродвигателя

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах регулирования частоты вращения, построенных на принципе фазовой синхронизации, в частности электроприводах с широким диапазоном изменения частоты вращения, где в качестве датчика обратной связи используется сельсин, синусно-косинусный вращающийся трансформатор или линейный датчик положения ротора. Технический результат - обеспечение широкого диапазона регулирования и плавного вращения вала электродвигателя в области низких и инфранизких частот и упрощение структуры электропривода при одновременном увеличении точности и снижении затрат компонент на изготовление устройства. В способе регулирования частоты вращения электродвигателя осуществляют суммирование частот пилообразных сигналов задания по углу, сигнала обратной связи с пилообразным сигналом повышенной опорной частоты. Эффект суммирования частот достигается за счет суммирования мгновенных значений пилообразных сигналов, отбрасывания целочисленного результата суммирования и выделения дробной части. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулирования частоты вращения, в частности электроприводах с широким диапазоном ее изменения, где в качестве датчика обратной связи используется сельсин, синусно-косинусный вращающийся трансформатор или линейный датчик положения ротора.

Известны аналогичные устройства, относящиеся по принципу действия к астатическим системам регулирования скорости электродвигателя с фазовым управлением: прецизионные привода постоянного тока, прецизионные системы стабилизации скорости двигателей [1, 2]. Недостатки их обусловлены дискретностью фазового регулятора. В области высоких частот эта дискретность мало сказывается на работе электропривода, так как электромагнитная и электромеханическая постоянные времени значительно больше интервала дискретности. Однако в области низких скоростей (0,1-1 об/мин) вал двигателя поворачивается скачкообразно и наблюдаются сбои в работе фазорегулятора.

Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности является прецизионная частотно-фазовая система регулирования частоты вращения электродвигателя [3], позволяющая точно отрабатывать заданные частоты в широком диапазоне, особенно в области низких и инфранизких частот вращения. В основе этого устройства лежат принципы фазовой синхронизации и сложения частот, благодаря чему низкочастотные гармонические сигналы датчика положения ротора и задающей частоты переносятся в область высоких частот согласно следующим тригонометрическим выражениям:

где Ωвр - частота вращения ротора электродвигателя, ω0 - несущая повышенная частота, (Ωвр0) - результирующая частота.

Основным недостатком такого устройства является необходимость использования избыточных элементов: для сложения двух частот необходимо четыре умножителя и два сумматора. Как известно, аналоговые умножители имеют большие погрешности и смещения нулевого уровня, что становится критичным при определении фазы результирующего сигнала, а цифровые умножители являются сложными ресурсоемкими устройствами, имеющими определенные временные задержки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение структуры электропривода и достижение широкого диапазона регулирования и плавного вращения вала двигателя в области низких и инфранизких частот.

Технический результат достигается с помощью применения принципа фазовой синхронизации вкупе с преобразованием частот, основанным на суммировании мгновенных значений пилообразных сигналов задания по углу, сигнала обратной связи с пилообразным сигналом повышенной опорной частоты, отбрасывании целочисленного результата суммирования и выделения дробной части.

Заявляемый способ отличается тем, что преобразуют сигнал управления в пилообразный сигнал заданной частоты вращения, складывают его с пилообразным сигналом повышенной опорной частоты, получают пилообразный сигнал повышенной частоты путем выделения дробной части результата суммирования, из сигнала повышенной пилообразной частоты формируют короткие импульсы, подают их на опорный вход частотно-фазового дискриминатора, гармонические сигналы датчика положения ротора преобразуют в низкочастотный пилообразный сигнал угла, суммируют его с пилообразным сигналом опорной частоты, выделяют дробную часть результата суммирования, из сигнала повышенной пилообразной частоты формируют короткие импульсы, подают их на вход обратной связи частотно-фазового дискриминатора, выходной сигнал частотно-фазового дискриминатора подают на регулятор частоты вращения, который формирует требуемые для реализации заданной частоты вращения токи в фазах электродвигателя.

В случае использования в качестве датчика положения ротора (ДПР) сельсина или вращающегося трансформатора выходные синусно-косинусные сигналы могут быть преобразованы в пилообразный сигнал углового положения ротора с помощью применения арктангенсного преобразования или алгоритма CORDIC[4].

На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема устройства, поясняющего заявляемый способ.

Устройство содержит: формирователь задающей пилообразной частоты (ФЗЧ) 1, генератор опорной пилообразной частоты (ГОЧ) 2; сумматоры 10, 11 с функцией отбрасывания целой части результата суммирования (целой частью являются амплитудное значение входных пил); формирователи импульсов 3, 4; частотно-фазовый дискриминатор (ЧФД) 5; регулятор частоты вращения 6; электродвигатель 8; датчик положения ротора 9; блок, реализующий вычисление кода угла с помощью алгоритма CORDIC или арктангенсного преобразования 7.

Устройство работает следующим образом. На вход ФЗЧ подается сигнал управления Uy, являющийся заданием по частоте вращения двигателя. ФЗЧ преобразует Uy в пилообразный сигнал с частотой Fз, мгновенное значение которого является сигналом задания по углу. Этот сигнал в сумматоре 10 складывается с пилообразным сигналом повышенной частоты ГОЧ F0. Суммарный сигнал повышенной частоты Fз+F0 в формирователе импульсов 3 преобразуется в короткие импульсы частоты fз+f0, значение которой пропорционально входной частоте и количеству импульсов на период пилы. Сигнал fз+f0 поступает на опорный вход ЧФД. Гармонические сигналы ДПР преобразуются блоком CORDIC в низкочастотные пилообразные сигналы Fвр. С помощью сумматора 11 и формирователя импульсов 4 также выделяются импульсы суммарной частоты fвр+f0, поступающие на вход обратной связи ЧФД. Выходной сигнал ЧФД поступает на регулятор частоты вращения электродвигателя.

Принцип сложения частот пилообразных сигналов основан на выражении

где QS(t, τ1, τ2) - результирующая пилообразная функция; , - слагаемые пилообразные функции с частотами , соответственно; Е1(t) - целочисленная функция Антье. Отображение, описываемое формулой (2), фактически является дробной частью суммы пилообразных функций и с различными частотами. При этом частота результирующей функции QS(t, τ1, τ2) будет равна суммарной частоте исходных слагаемых функций , .

Для пояснения описанного эффекта суммирования частот на фиг. 2, а, б представлены три пилообразные функции, , QS(t, τ1, τ2). Частота первой функции в 9 раз выше второй, то есть на один период второй функции укладывается 9 периодов первой. Результирующая функция QS(t, τ1, τ2) представлена на фиг. 2, а более жирной линией, причем очевидно, что на один период второй функции укладывается 10 периодов результирующей суммарной функции, то есть . Как видно на фиг. 2, б, при изменении наклона пилообразной функции (что соответствует вращению ротора в противоположную сторону) при том же наклоне опорной функции результирующая пила имеет 8 периодов на интервале 9τ. Это значит, что , то есть из большей частоты вычитается меньшая и наклон у результирующей пилы такой же, как и у пилы с большей частотой.

Отсюда вытекают два свойства рассматриваемой операции: 1) если суммируемые пилообразные функции имеют одинаковые знаки производных на интервале непрерывности, то частоты этих функций суммируются; если разные - то вычитаются; 2) если суммируемые пилообразные функции имеют разные знаки производных на интервале непрерывности, то результирующая пилообразная функция имеет тот же знак производной на интервале непрерывности, что и у функции с большей частотой.

Данная операция может быть легко реализована на цифровом двоичном n-разрядном сумматоре, в котором за счет принципа действия цифровых устройств при сложении двух n-разрядных чисел в случае переполнения старший бит n+1 просто не учитывается. Таким образом, фактически остается лишь n разрядов результата суммы. И если считать n+1 и последующие биты целой частью суммарного числа, то n бит будут являться его дробной частью.

Временные диаграммы работы такого сумматора приведены на фиг. 3. Фиг. 3, а соответствует диаграмме работы 4-разрядного сумматора, фиг. 3, б - 6-разрядного, фиг. 3, в - 8-разрядного, фиг. 3, г - 12-разрядного. Как видно на фиг. 3, увеличением числа разрядов вид таких кусочно-постоянных функций стремится к виду линейных функций, как на фиг. 2, то есть уменьшаются ошибки квантования и апертурные ошибки.

Выделение коротких импульсов производится по результирующим пилообразным сигналам. Количество импульсов на период пилы зависит от требуемой жесткости системы и ограничивается лишь качеством задающего сигнала, сигнала обратной связи и опорной частоты. В качестве таких импульсов может быть использован один из младших разрядов пилы.

Далее функционирование устройства, соответствующее заявляемому способу, не отличается от [3]. Заявляемый способ может быть также использован при проектировании систем управления по ускорению ротора или динамическому моменту двигателя [5].

Литература

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

2. Патент на изобретение РФ №2130688, МПК H02P 5/06,6/18, 20.05.1999. Ивановский государственный энергетический университет, Фалеев М.В., Ширяев А.Н., Киселев А.А., Дьяков В.И.

3. Патент на изобретение РФ №2291552, МПК H02P 6/08, 09.11.2004. ФГУП «НПЦ «Полюс», Муравяткин Ю.Е., Редькин СВ., Авдиевич А.С.

4. Захаров А.В. Алгоритмы CORDIC. Современное состояние и перспективы / А.В. Захаров, В.М. Хачумов // Программные системы: теория и приложения. - 2004. - Т. 26, №6. - С. 353-372.

5. Патент на изобретение РФ №2521617, МПК H02P 7/28. Способ управления динамическим моментом двигателя-маховика / Н.Н. Балковой, Ю.Е. Муравяткин; патентообладатель ОАО "НПЦ "Полюс"; опубл. 10.07.2014.

Способ регулирования частоты вращения электродвигателя, заключающийся в том, что преобразуют низкочастотные задающие сигналы и сигналы обратной связи с датчика положения ротора в сигналы повышенной частоты, по разности фаз которых формируют управляющий сигнал для регулирования частоты вращения электродвигателя, отличающийся тем, что преобразуют сигнал управления в пилообразный сигнал заданной частоты вращения, складывают его с пилообразным сигналом повышенной опорной частоты, получают пилообразный сигнал повышенной частоты путем выделения дробной части результата суммирования, из сигнала повышенной пилообразной частоты формируют короткие импульсы, подают их на опорный вход частотно-фазового дискриминатора, гармонические сигналы датчика положения ротора преобразуют в низкочастотный пилообразный сигнал угла, суммируют его с пилообразным сигналом опорной частоты, выделяют дробную часть результата суммирования, из сигнала повышенной пилообразной частоты формируют короткие импульсы, подают их на вход обратной связи частотно-фазового дискриминатора, выходной сигнал частотно-фазового дискриминатора подают на регулятор частоты вращения, который формирует требуемые для реализации заданной частоты вращения токи в фазах электродвигателя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателем воздушного кондиционера. Техническим результатом является повышение точности детектирования углового положения ротора синхронного двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в системах управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами в зависимости от положения ротора без использования датчика положения ротора, конструктивно связанного с электродвигателем.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для привода вентиляторов, насосов и т.д. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления рабочим инструментом, соединенным с двигателем. Техническим результатом является повышение коэффициента мощности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во асинхронной и синхронной электрической машине без использования датчика положения. Технический результат - уменьшение вибраций и шумов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронной машиной с постоянными магнитами «MSAP». Техническим результатом является обеспечение оптимальной надежности и высокой безопасности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электрической машиной без использования датчика положения. Технический результат - повышение точности оценки степени магнитного насыщения и минимально необходимого значения времени подачи, которое позволяет осуществить оценку положения ротора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателями с постоянными магнитами. Технический результат - повышение точности определения углового положения при низких угловых скоростях вращения ротора электродвигателя с постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в действие стиральной машины. Технический результат - уменьшение энергопотребления.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в движение синхронного электродвигателя, содержащего ротор с постоянными магнитами.
Изобретение относится к способу управления линейным электродвигателем, используемым в качестве привода погружного плунжерного насоса для добычи нефти. Технический результат заключается в обеспечении максимальной производительности насосной установки при заданной мощности электродвигателя и в повышении надежности его работы.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в стеклоочистителе. Технический результат - уменьшение габаритов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронной машиной с постоянными магнитами «MSAP». Техническим результатом является обеспечение оптимальной надежности и высокой безопасности.

Изобретение относится к области электропривода устройств, требующих обеспечения повышенной живучести, в частности к области управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемых электронасосов крови.

Изобретение относится к области ручных приводных инструментов. Технический результат - повышение надежности.

Изобретение относится к контроллеру двигателя, который содержит процессор, выборочно выводящий сигнал включения либо на переключающий элемент верхнего плеча, либо на переключающий элемент нижнего плеча, основываясь на определенном датчиком положения положении, устройства управления затвором, подающие управляющее напряжение на затворы переключающих элементов сдвигом уровня сигнала включения от процессора на переключающий элемент верхнего плеча, и конденсатор в цепи положительной обратной связи, сформированный с возможностью зарядки, когда переключающий элемент верхнего плеча выключен, и выполняющий функции источника напряжения для устройства управления затвором, когда переключающий элемент верхнего плеча включен.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрическом приводе для бесщеточного двигателя с постоянными магнитами и способу его управления.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для управления вентильными двигателями с широким диапазоном регулирования частоты вращения. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для возбуждения синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, встроенного в электрическое транспортное средство.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в действие контактных систем устройств регулирования напряжения силовых трансформаторов под нагрузкой.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в стеклоочистителе. Технический результат - уменьшение габаритов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах регулирования частоты вращения, построенных на принципе фазовой синхронизации, в частности электроприводах с широким диапазоном изменения частоты вращения, где в качестве датчика обратной связи используется сельсин, синусно-косинусный вращающийся трансформатор или линейный датчик положения ротора. Технический результат - обеспечение широкого диапазона регулирования и плавного вращения вала электродвигателя в области низких и инфранизких частот и упрощение структуры электропривода при одновременном увеличении точности и снижении затрат компонент на изготовление устройства. В способе регулирования частоты вращения электродвигателя осуществляют суммирование частот пилообразных сигналов задания по углу, сигнала обратной связи с пилообразным сигналом повышенной опорной частоты. Эффект суммирования частот достигается за счет суммирования мгновенных значений пилообразных сигналов, отбрасывания целочисленного результата суммирования и выделения дробной части. 3 ил.

Наверх