Следящий электропривод с синхронным исполнительным двигателем

Авторы патента:

Стариков Александр Владимирович (RU)

Лисин Сергей Леонидович (RU)

H02P6/08 - устройства для управления числом оборотов или крутящим моментом одного двигателя

G05B11/36 - с возможностью получения отдельных характеристик, например пропорциональной (линейной), интегральной, дифференциальной

G05B11/01 - электрические

Владельцы патента RU 2695804:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с синхронными исполнительными двигателями с постоянными магнитами на роторе. Техническим результатом является поддержание угла нагрузки близким к 90° и обеспечение максимального электромагнитного момента во всем скоростном диапазоне работы следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем. Следящий электропривод с синхронным исполнительным двигателем содержит блок (1) задания, интегральный регулятор (2), пропорциональный регулятор (3), пропорционально-дифференциальный регулятор (4), силовой преобразователь (5), синхронный двигатель (6) с исполнительным механизмом (7), датчик (8) положения, блок (9) дифференцирования, пропорциональное звено (10), сумматоры (11 и 12), сумматор-вычитатель (13), блоки (14 и 15) сравнения, мультиплексор (16), блок (17) вычисления угла упреждения и датчик (18) положения ротора. Следящий электропривод позволяет поддерживать угол нагрузки близким к 90° и обеспечивать максимальный электромагнитный момент во всем скоростном диапазоне работы следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем. 1 ил.

Наиболее близким по технической сущности является следящий электропривод (см. патент России №2605948, опубл. 10.01.2017, бюл. №1), содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик положения, блок дифференцирования, пропорциональное звено, сумматор, сумматор-вычитатель, два блока сравнения и мультиплексор.

Недостаток наиболее близкого по технической сущности следящего электропривода заключается в том, что при больших скоростях движения исполнительного механизма из-за инерционности цепи обмотки статора уменьшается угол нагрузки и момент, развиваемый синхронным исполнительным двигателем.

Технический результат достигается тем, что следящий электропривод с синхронным исполнительным двигателем, содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, синхронный двигатель с исполнительным механизмом, датчик положения, блок дифференцирования, пропорциональное звено, первый сумматор, сумматор-вычитатель, первый и второй блоки сравнения, мультиплексор и датчик положения ротора, причем первый выход блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход пропорционального регулятора соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход силового преобразователя соединен с синхронным двигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторыми входами интегрального и пропорционального регуляторов и входом блока дифференцирования, выход блока дифференцирования соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора и входом пропорционального звена, выход которого соединен с первыми входами первого сумматора и сумматора-вычитателя, второй выход блока задания соединен с вторыми входами сумматора и сумматора-вычитателя, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с первыми входами первого и второго блоков сравнения и мультиплексора, выход которого соединен с первым входом силового преобразователя, выход первого сумматора соединен с вторыми входами первого блока сравнения и мультиплексора, выход сумматора-вычитателя соединен с вторым входом второго блока сравнения и третьим входом мультиплексора, выход первого блока сравнения соединен с четвертым входом мультиплексора, выход второго блока сравнения соединен с пятым входом мультиплексора, а датчик положения ротора соединен с валом синхронного двигателя, дополнительно снабжен блоком вычисления угла упреждения и вторым сумматором, причем выход блока дифференцирования соединен с входом блока вычисления угла упреждения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход датчика положения ротора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет поддерживать угол нагрузки близким к 90° и обеспечивать максимальный электромагнитный момент во всем скоростном диапазоне работы следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем.

На фиг. 1 приведена функциональная схема следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем.

Следящий электропривод с синхронным исполнительным двигателем (фиг. 1) содержит блок 1 задания, интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, пропорционально-дифференциальный регулятор 4, силовой преобразователь 5, синхронный двигатель 6 с исполнительным механизмом 7, датчик 8 положения, блок 9 дифференцирования, пропорциональное звено 10, сумматоры 11 и 12, сумматор-вычитатель 13, блоки 14 и 15 сравнения, мультиплексор 16, блок 17 вычисления угла упреждения и датчик 18 положения ротора.

Первый выход блока 1 задания соединен с первым (прямым) входом интегрального регулятора 2, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора 3. Выход пропорционального регулятора 3 соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора 4. Выход силового преобразователя 5 соединен с синхронным двигателем 6, кинематически связанным с исполнительным механизмом 7, оснащенным датчиком 8 положения, выход которого соединен с вторыми (инверсными) входами интегрального и пропорционального регуляторов 2 и 3 и входом блока 9диффе-ренцирования. Выход блока 9 дифференцирования соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора 4 и входом пропорционального звена 10, выход которого соединен с первыми входами сумматора 11 и сумматора-вычитателя 13. Второй выход блока 1 задания соединен с вторыми входами сумматора 11 и сумматора-вычитателя 13. Выход пропорционально-дифференциального регулятора 4 соединен с первыми входами блоков 14 и 15 сравнения и мультиплексора 16, выход которого соединен с первым входом силового преобразователя 5. Выход сумматора 11 соединен с вторыми входами блока 14 сравнения и мультиплексора 16. Выход сумматора-вычитателя 15 соединен с вторым входом блока 15 сравнения и третьим входом мультиплексора 16. Выход блока 14 сравнения соединен с четвертым входом мультиплексора 16. Выход блока 15 сравнения соединен с пятым входом мультиплексора 16. Датчик 18 положения ротора соединен с валом синхронного двигателя 6. Выход блока 9 дифференцирования соединен с входом блока 17 вычисления угла упреждения, выход которого соединен с первым входом сумматора 12. Выход датчика 18 положения ротора соединен с вторым входом сумматора 12, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя 5.

Блок 1 задания параметров может быть выполнен, например, на микросхемах К555ТМ8, разрядные входы которых подключаются с помощью переключателей к логическим нулям или единицам. Интегральный 2, пропорциональный 3, пропорционально-дифференциальный 4 регуляторы, блок 9 дифференцирования и пропорциональное звено 10 могут быть реализованы, например, по а.с. СССР №1649501, опубл. 15.05.91, бюл. №18 и выполнены, например, на микросхемах серии К555. Сумматоры 11 и 12, сумматор-вычитатель 13 и блоки 14 и 15 сравнения могут быть реализованы, например, на микросхемах К555ИМ6. Мультиплексор 16 может быть выполнен, например, на микросхемах К555КП12. Блок 17 вычисления угла упреждения может быть реализован, например, на микроконтроллере К1921ВК01Т, имеющем встроенные операции умножения, деления и математические библиотеки с вычислением тригонометрических функций. Силовой преобразователь 5 может быть реализован, например, в виде цифрового модулятора по патенту России №2517423, опубл. 27.05.14, бюл. №15, с силовым трехфазным транзисторным мостом на выходе.

8 качестве электродвигателя 6 может быть использована, например, любая синхронная машина с датчиком 18 положения ротора, например, 5FK70605AF71. Исполнительный механизм 7, например, может представлять собой стол координатно-расточного станка, соединенный с помощью ходового винта и муфты с валом синхронного электродвигателя 6. В качестве датчика 8 положения, например, может быть использована фотооптическая линейка BE 162 с соответствующим устройством оцифровки ее выходного сигнала.

Следует также отметить, что блок 1 задания параметров, интегральный 2, пропорциональный 3 пропорционально-дифференциальный 4 регуляторы, блок 9 дифференцирования, пропорциональное звено 10, сумматоры 11 и 12, сумматор-вычитатель 13, блоки 14 и 15 сравнения и мультиплексор 16 могут быть реализованы также программно на микропроцессорном контроллере.

Следящий электропривод работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего с первого выхода блока 1 задания, и сигнала датчика 8 положения интегральный регулятор 2 в совокупности с пропорциональным регулятором 3, блоком 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальным регулятором 4 формируют сигнал N_n∂ на первых входах мультиплексора 16 и блоков 14 и 15 сравнения. Одновременно на выходе пропорционального звена 10 формируется сигнал характеризующий ЭДС вращения, наводимую в электродвигателе и приведенную ко входу силового преобразователя 5. Этот сигнал подается на первые входы сумматора 11 и сумматора-вычитателя 13. С второго выхода блока 1 задания на вторые входы сумматора 11 и сумматора-вычитателя 13 в случае применения синхронной машины, работающей в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока подается сигнал пропорциональный максимально допустимому падению напряжения на активном сопротивлении R₁ статорной обмотки под действием максимально допустимого тока I_1max. При этом на выходе сумматора 11 получается сигнал а на выходе сумматора-вычитателя 13 - Выходной сигнал N_n∂ пропорционально-дифференциального регулятора 4 каждый такт вычислений сравнивается со значениями и получаемыми на выходах сумматора 11 и сумматора-вычитателя 13. Если то через мультиплексор 16 на вход силового преобразователя 5 проходит сигнал N_n∂. В случае, когда на вход силового преобразователя 5 подается цифровой код равный При через мультиплексор 16 проходит сигнал Силовой преобразователь 5 преобразует поступающий на него сигнал в напряжение на статоре синхронного двигателя 6. При этом вал электродвигателя начинает вращаться и приводит в движение исполнительный механизм 7, перемещение которого измеряется датчиком 8 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 8 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с первого выхода блока 1 задания. При этом действия, производимые с помощью блоков 9-11, 13-16, позволяют ограничить ток в статорной обмотке синхронного электродвигателя 6 на уровне I_1max.

Одновременно с действием всех перечисленных выше боков и элементов следящего электропривода блок 17 осуществляет вычисление угла упреждения, например, по формуле

где ω - скорость вращения ротора синхронного двигателя, пропорциональная сигналу с выхода блока 9 дифференцирования; T₁ - электромагнитная постоянная времени цепи обмотки статора; Z_n - число пар полюсов двигателя; k_np - коэффициент приведения к дискретам датчика 18 положения ротора. Сумматор 12 производит вычисление угла

где θ_р - угол поворота ротора синхронного электродвигателя, измеряемый с помощью датчика 18 положения ротора.

Угол θ подается на второй вход силового преобразователя 5, который формирует трехфазную систему напряжений на статорных обмотках синхронного двигателя с учетом этого угла. В результате результирующий вектор потокосцепления статора синхронного двигателя всегда опережает вектор потокосцепления ротора на угол 90° (в сторону движения), обеспечивая максимальный момент двигателя во всех скоростных режимах.

Таким образом, предлагаемый следящий электропривод позволяет поддерживать угол нагрузки близким к 90° и обеспечивать максимальный электромагнитный момент во всем скоростном диапазоне работы следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем.

Следящий электропривод с синхронным исполнительным двигателем, содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, синхронный двигатель с исполнительным механизмом, датчик положения, блок дифференцирования, пропорциональное звено, первый сумматор, сумматор-вычитатель, первый и второй блоки сравнения, мультиплексор и датчик положения ротора, причем первый выход блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход пропорционального регулятора соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход силового преобразователя соединен с синхронным двигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен со вторыми входами интегрального и пропорционального регуляторов и входом блока дифференцирования, выход блока дифференцирования соединен со вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора и входом пропорционального звена, выход которого соединен с первыми входами первого сумматора и сумматора-вычитателя, второй выход блока задания соединен со вторыми входами сумматора и сумматора-вычитателя, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с первыми входами первого и второго блоков сравнения и мультиплексора, выход которого соединен с первым входом силового преобразователя, выход первого сумматора соединен со вторыми входами первого блока сравнения и мультиплексора, выход сумматора-вычитателя соединен со вторым входом второго блока сравнения и третьим входом мультиплексора, выход первого блока сравнения соединен с четвертым входом мультиплексора, выход второго блока сравнения соединен с пятым входом мультиплексора, а датчик положения ротора соединен с валом синхронного двигателя, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен блоком вычисления угла упреждения и вторым сумматором, причем выход блока дифференцирования соединен с входом блока вычисления угла упреждения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход датчика положения ротора соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом силового преобразователя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в контроллерах двигателя, в частности в контроллере двигателя для электродвигателя. Техническим результатом является снижение затрат на монтаж.

Устройство управления и способ управления // 2682664

Изобретение относится к области электротехники. Устройство управления для управления электрическим блоком, содержащее: пару переключающих элементов, выполненных с возможностью преобразования мощности от источника питания в мощность переменного тока и подачи мощности переменного тока на электрический блок, блок преобразования, блок вычисления, блок генерирования, блок управления, блок определения, блок коррекции.

Устройство управления мотором и способ управления мотором // 2668384

Изобретение относится к двигателям. Устройство управления мотором приводной системы, содержащей мотор, трансмиссию, датчик температуры масла и механизм охлаждения, содержит контроллер, который управляет крутящим моментом мотора.

Схема и способ управления ею // 2660963

Изобретение относится к области электротехники, в частности к схеме и способу управления реактивным коммутируемым электродвигателем. Технический результат - повышение максимального крутящего момента коммутируемого реактивного электродвигателя.

Устройство управления электроприводом // 2659806

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах для запорной, регулирующей арматуры, на трубопроводах при транспорте нефти, нефтепродуктов, в химической и нефтехимических отраслях.

Транспортное средство // 2659372

Изобретение относится к области управления транспортным средством на электротяге. Транспортное средство выполняет первое ШИМ регулирование для генерирования первого ШИМ-сигнала для множества переключающих элементов, чтобы переключать множество переключающих элементов путем сравнения команд напряжения фаз на основе команды управления крутящим моментом с напряжением несущей частоты.

Бесконтактный электропривод постоянного тока // 2658678

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в исполнительных системах различных механизмов на базе бесконтактных электродвигателей постоянного тока.

Модульная многофазная электрическая машина // 2633379

Предложен многофазный электрический двигатель, который содержит ротор и статор. Ротор содержит ряд магнитов, ориентированных в направлении статора, содержащего, в свою очередь, множество фазных обмоток, ориентированных в направлении магнитов.

Способ регулирования частоты вращения электродвигателя // 2609673

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.

Бесщеточный электродвигатель и стеклоочиститель // 2587457

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

Регулировочное устройство для блока гидравлического цилиндра с оптимизированной линеаризацией // 2682121

Изобретение относится к регулировочному устройству для регулировки блока гидравлического цилиндра. Регулятор (15) принимает относящуюся к поршню (3) блока (1) гидравлического цилиндра расчетную величину (g*) и относящуюся к поршню (3) блока (1) гидравлического цилиндра фактическую величину (g).

Пропорционально-интегральный регулятор // 2648516

Изобретение относится к автоматическому регулированию. Входной сигнал регулятора преобразуется двумя нелинейными элементами 1 и 2, которые имеют характеристики соответственно: и где x - входной сигнал устройства; α и β коэффициенты пропорциональности, β>1; х0 - пороговое значение.

Сервопривод, сервоприводная установка, способ эксплуатации сервопривода и способ эксплуатации сервоприводной установки // 2630231

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение гибкости при размещении установок с сервоприводами.

Быстродействующий адаптивный регулятор частоты вращения электродвигателя // 2622183

Изобретение относится к автоматическим регуляторам электродвигателей. Быстродействующий адаптивный регулятор частоты вращения содержит блок инвертирования, пропорциональную и интегральную части регулятора, четыре блока сравнения, два блока умножения, блок единичной функции, блок выделения модуля, нелинейный ограничитель.

Способ расширения диапазона регулирования аср без потери устойчивости // 2619746

Изобретение относится к автоматике. Способ расширения диапазона регулирования автоматических систем регулирования без потери устойчивости включает настройку регулятора, реализующего пропорциональную и интегральную составляющие закона регулирования, при которой сигнал управляющего воздействия зависит от величины ошибки регулирования и значений коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих.

Способ адаптивного управления плохо формализуемым объектом // 2612084

Изобретение относится к способу адаптивного управления плохо формализуемым объектом. Для управления плохо формализуемым объектом определяют адаптивный регулятор для достижения цели за конечное число управляющих воздействий, осуществляют вначале тестовые пуски объекта управления при разных управляющих и постоянном внешнем воздействии, предусматривают исключение возможности превышения заранее известных предельно допустимых значений, осуществляют пуск объекта, после достижения регулируемым параметром установившегося значения сравнивают его с заданным определенным образом.

Система адаптивного управления электродвигателем // 2605946

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического управления нестационарными объектами - системах адаптивного управления электроприводом.

Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора // 2589718

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в нагнетателях, компрессорах, турбодетандерах газоперекачивающих агрегатов с тяжелыми роторами горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг.

Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем // 2580823

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с асинхронными исполнительными двигателями. Техническим результатом является повышение быстродействия следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем.

Устройство управления частотой вращения асинхронного двигателя электроустановок // 2574334

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выбора оптимального по точности режима работы электрического двигателя. Технический результат - увеличение точности управления за счет применения эффективного математического метода решения обратных задач.

Устройство управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором // 2695281

Изобретение относится к оптике, к устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей и может быть использовано в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, в сканирующих системах.