Способ регулирования частоты вращения управляющего двигателя-маховика с контролем параметров выходных механических характеристик
Владельцы патента RU 2789698:
Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к астатическим системам регулирования частоты вращения управляющих двигателей-маховиков (УДМ). Технический результат – создание устройства регулирования частоты вращения УДМ в широком диапазоне скоростей вращения двигателя вплоть до нулевой с возможностью контроля выходных механических характеристик УДМ в режиме реального времени. Устройство регулирования частоты вращения УДМ с контролем основных выходных механических характеристик включает интегратор управляющих сигналов, цифровой сумматор-вычитатель, определяющий разностный сигнал задающей и текущей частоты, цифровой фильтр, цифровой ПИ-регулятор, регулятор скорости вращения двигателя, датчик положения ротора, формирователь импульсных сигналов, преобразователь частота-код, фазосдвигающий преобразователь для изменения вида преобразований сигналов датчика положения ротора и блок оценки параметров механических характеристик с устройством индикации, позволяющий контролировать параметры выходных механических характеристик управляющего двигателя-маховика в реальном времени. 2 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к астатическим системам регулирования частоты вращения управляющих двигателей-маховиков (УДМ), выполненных на основе синхронного двигателя с постоянными магнитами, применяемых в качестве электромеханических исполнительных органов систем ориентации и стабилизации космических аппаратов.
Наиболее близким к заявленному изобретению по своей технической сущности является способ регулирования динамического момента управляющего двигателя-маховика [Патент РФ №2736411, БИПМ №32, опубл. 17.11.2020], основанный на интегрировании управляющего напряжения для получения значений задающей частоты в виде цифрового кода пропорционального сигналу управления динамическим моментом, суммировании сигналов положения ротора sinΩврt и cosΩвpt с опорными сигналами повышенной частоты sinω0t и cosω0t и формировании импульсного сигнала короткой длительности в момент перехода результирующих сигналов через нуль, являющегося разрешающим для преобразования частоты вращения в цифровой код, определяющий мгновенные значения частоты вращения двигателя, после чего разность полученных кодов используется для регулирования частоты вращения. Недостатком указанного изобретения является необходимость использования операций умножения для преобразования сигналов частоты вращения УДМ. Для преобразования частоты двух гармонических сигналов ДПР необходимо произвести четыре операции умножения. Аналоговое умножение обладает большой погрешностью и смещением нулевого уровня, что становится критично при определении переходов результирующих сигналов через нуль и ведет к снижению точности регулирования скорости вращения УДМ. Цифровое умножение вносит определенные временные задержки, является сложным в реализации и требует большого количества вычислительных ресурсов. Еще одним недостатком прототипа является несимметричность кода частоты в зависимости от направления вращения УДМ. В зависимости от направления вращения УДМ результирующие сигналы будут иметь вид sin(ω0±Ωвр)t и cos(ω0±Ωвр)t. Таким образом, цифровой код, определяющий мгновенные значения частоты вращения двигателя имеет вид 
, из чего следует необходимость усложнения структуры преобразователя частоты вращения УДМ в код для согласования кода задающей частоты с кодом частоты вращения двигателя.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является создание устройства регулирования частоты вращения УДМ в широком диапазоне скоростей вращения двигателя вплоть до нулевой с возможностью контроля параметров выходных механических характеристик УДМ в режиме реального времени, лишенного отмеченных для прототипа недостатков.
Технический результат достигается при использовании регулятора скорости вращения двигателя, датчика положения ротора, фазосдвигающего преобразователя, формирователя импульсных сигналов, интегратора управляющих сигналов для формирования задающей частоты вращения двигателя-маховика, преобразователя сигналов с датчика положения ротора в цифровой код текущей частоты вращения двигателя-маховика, цифрового сумматора, определяющего разностный сигнал задающей и текущей частоты и блока точечной оценки механических характеристик.
Предлагаемое устройство регулирования частоты вращения УДМ, так же как и прототип основано на вычислении разницы цифрового кода задающей частоты, полученного путем интегрирования напряжения управления и кода частоты вращения двигателя.
В предлагаемом устройстве вместо преобразований вида sin(Ωвр±ω0)t и cos(Ωвр±ω0)t применяются преобразования вида 
, в результате чего формируется n∈N, n>1, m∈[0;n-1] пар гармонических сигналов одинаковой частоты, с фиксированным сдвигом фаз 
друг относительно друга. Так как для каждой пары сигналов 
, при преобразовании частоты операции умножения на константу можно заменить на операции сложения и сдвига, представив константы в виде канонического знакоразрядного кода [I. Koren., Computer Arithmetic Algorithms: (Second ed.), А K Peters, Ltd. (Ed.), 2002.] вида:
где R - разрядность коэффициентов, ki={0,1-1}.
За счет смены типа преобразований сигналов положения ротора УДМ появляется возможность отказаться от операций умножения, а так же избавиться от несимметричности кода частоты, так как при формировании мгновенной частоты вращения УДМ отсутствует постоянная составляющая 
.
Принцип работы устройства поясняется рисунками, на которых показаны:
На фиг. 1 - общая структурная схема устройства;
На фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющие алгоритм преобразования сигналов положения ротора в импульсный сигнал короткой длительности для n=3;
Устройство содержит интегратор сигнала ускорения (ИСУ) 1, подключенный к первому входу цифрового сумматора-вычитателя (ЦСВ) 2, выход которого подключен к цифровому фильтру (ЦФ) 3; выход цифрового фильтра соединен с цифровым ПИ-регулятором (ЦПИ) 4; выход ЦПИ подключается к регулятору скорости вращения двигателя 5, который в свою очередь подключается к УДМ 6; УДМ соединен с синусно-косинусным датчиком положения ротора (ДПР) 7, выходы которого подключаются к входам фазосдвигающего преобразователя (ФСП) 8; выход ФСП подключается к входу формирователя импульсных сигналов (ФИС) 9, выход которого подключен к входу преобразователя частота-код (ПЧК) 10, второй выход которого подключается ко второму входу ИСУ, первый выход подключается ко второму входу ЦСВ и ко второму входу блока оценки параметров механических характеристик (БОХ) 11; выход БОХ соединяется с устройством индикации УИ 12; на первый вход ИСУ и первый вход БОХ подается управляющий сигнал Nу.
Используемые в устройстве узлы могут быть выполнены следующим образом.
Все узлы, за исключением регулятора скорости вращения двигателя, ДПР и УИ возможно реализовать в базисе ПЛИС, с применением аналогово-цифровых преобразователей для ИСУ.
Регулятор скорости вращения двигателя может быть построен на основе операционных усилителей.
ДПР реализуется в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора.
В качестве УИ может выступать ПК или специализированное контрольно-проверочное оборудование.
Регулирование, реализованное данным устройством, происходит следующим образом: сигналы с ДПР (фиг. 2а) поступают на входы ФСП, где фазы сигналов ДПР попарно сдвигаются n - 1 раз (фиг. 2б, в). У каждого сигнала, выделяются старшие знаковые разряды (фиг. 2г-2е), которые объединяются элементом «исключающее ИЛИ», формируя на выходе ФСП прямоугольный сигнал с частотой ƒФСП=2nƒвр (фиг. 2ж). Сигнал с выхода ФИС, где по каждому его фронту формируются импульсы короткой длительности с частотой ƒФКИ=4nƒвр (фиг. 2з). Сигнал с выхода ФИС поступает на вход ПЧК, где за определенный промежуток времени происходит счет импульсов, тем самым на выходе ПЧК формируется мгновенное значение частоты вращения УДМ в виде цифрового кода Nωс, поступающего на второй вход ЦСВ и вход БОХ. В БОХ, содержащем в себе паспортные данные УДМ, производится оценка параметров выходных механических характеристик УДМ согласно выражениям:
где Ω - угловая скорость УДМ, р - количество пар полюсов ДПР, Δt - время подсчета импульсов ПЧК, n - количество пар сигналов, полученных в результате работы ФСП, включая исходную;
Н=JΩ,
где H - кинетический момент УДМ, J - момент инерции маховика;
где Мд - динамический момент УДМ;
где Мс - момент сопротивления УДМ, Мэм - электромагнитный момент УДМ, Ку - коэффициент пропорциональности, Nу - входной код управления. Результаты оценки параметров поступают для индикации в УИ.
С другой стороны на выходе ИСУ формируется мгновенное значение задающей частоты ωз с ускорением, пропорциональным входному управляющему сигналу Nу в виде цифрового кода ω. Код поступает на первый вход ЦСВ, где из него вычитается код Nωс. Полученный результат ΔNω поступает на вход ЦФ, после чего поступает на ПИ-регулятор, управляющий регулятором скорости вращения двигателя.
Для синхронизации начального значения ИСУ и текущей скорости вращения маховика (например, при переключении с основного канала питания на резервный) текущее значение ПЧК передается в ИСУ, где устанавливается, как начальное, после чего регулирование производится по описанной выше схеме.
Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу регулирования частоты вращения УДМ в широком диапазоне скоростей вращения двигателя вплоть до нулевой с возможностью контроля параметров выходных механических характеристик УДМ, при этом устраняя обозначенные недостатки прототипа. Устройство позволяет отрабатывать управляющие воздействия во всем диапазоне регулирования с обеспечением стабилизации частоты вращения при нулевом управляющем сигнале.
Устройство регулирования частоты вращения управляющего двигателя-маховика с контролем основных выходных механических характеристик, включающее интегратор управляющих сигналов, цифровой сумматор-вычитатель, определяющий разностный сигнал задающей и текущей частоты, цифровой фильтр, цифровой ПИ-регулятор, регулятор скорости вращения двигателя, датчик положения ротора, формирователь импульсных сигналов, преобразователь частота-код, отличающееся тем, что введен фазосдвигающий преобразователь для изменения вида преобразований сигналов датчика положения ротора и блок оценки параметров механических характеристик с устройством индикации, позволяющий контролировать параметры выходных механических характеристик управляющего двигателя-маховика в реальном времени.
