Система управления скоростью вращения вентильного электродвигателя

Авторы патента:

H02P21/12 - Устройства для управления или регулирования электродвигателей путем управления ориентацией поля; управление вектором

G05D13/62 - с помощью электрических средств, например тахометрических генераторов, преобразователей электрических величин в механические перемещения

Владельцы патента RU 2789839:

Слепцов Владимир Владимирович (RU)
Мостовский Михаил Владимирович (RU)

Изобретение относится к области управления вентильным электродвигателем и может быть использовано в любых промышленных электромеханических системах. Система автоматического управления скоростью вращения вентильного электродвигателя содержит блок ввода управляющих сигналов (1), регулятор скорости (2), блок выделения модуля (3), регулятор тока (4), блок перемножения (5), блок формирования управляющих сигналов (6), силовой преобразователь (7), вентильный электрический двигатель (8), датчик положения ротора (9), датчик скорости (10), датчик тока (11), источник питания (12). Выход блока ввода управляющих сигналов соединен с первым входом регулятора скорости, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, выход регулятора скорости соединен с входом блока выделения модуля и вторым входом блока перемножения, выход блока выделения модуля соединен с первым входом регулятора тока, второй вход которого соединен с выходом датчика тока, выход регулятора тока соединен с первым входом блока перемножения, выход блока перемножения соединен с первым входом блока формирования управляющих сигналов, второй вход которого соединен с выходом датчика положения ротора, управляющие выходы блока формирования управляющих сигналов соединены с входами силового преобразователя, выходы которого соединены с фазами вентильного двигателя. Технический результат - упрощение системы управления скоростью вращения вентильного электродвигателя, снижение инерционности системы и повышение надежности. 3 ил.

Изобретение относится к области управления вентильным электродвигателем и может быть использовано в любых промышленных электромеханических системах.

Известно техническое решение по патенту РФ 1681371 [1] [Мищенко В.А., Мишенко Н.И. Способ векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами на роторе, МПК Н02Р 21/12 30.09.1991]. Сущность данного изобретения заключается в регулируемой ориентации вектора тока статора относительно продольной оси ротора, что позволило повысить энергетические и динамические показатели электродвигателя при повышении точности регулирования момента и скорости.

Главным недостатком данного способа является невысокая надежность электропривода, вызванная наличием 3-х контуров регулирования фазных токов, включающих 3 регулятора тока и 3 датчика тока, а также сложность комплексной наладки.

Наиболее близким техническим решением является электропривод серии ЭПБ-2 [2]. Конструктивно электропривод ЭПБ-2 содержит регулятор скорости вращения ротора, на первый вход которого подается сигнал задания скорости, а на второй вход выходной сигнал датчика скорости вращения ротора вентильного двигателя; блок выделения модуля сигнала задания скорости вращения ротора, на вход которого подается сигнал задания скорости вращения ротора; регулятор тока, на первый вход которого подается выходной сигнал блока выделения модуля сигнала задания скорости, а на второй вход подается выходной сигнал блока определения модуля сигнала задания тока; устройство широтно-импульсной модуляции; блок управления ключами, на первый вход которого подается выходной сигнал блока определения направления, на второй вход подается выходной сигнал устройства широтно-импульсной модуляции, на третий вход подается выходной сигнал датчика положения ротора вентильного двигателя; силовой инвертор; блок питания; вентильный электрический двигатель; датчик положения ротора; датчик тока и датчик скорости вращения ротора.

Главным недостатком электропривода ЭПБ-2 является наличие блока определения направления вращения относительно сигнала задания скорости вращения и устройства определения модуля сигнала суммарного тока 3-х датчиков тока, установленных в фазах двигателя, что приводит к усложнению электрической схемы электропривода и снижению надежности.

Целью настоящего изобретения является упрощение структурной схемы управления скоростью вращения вентильного электродвигателя, снижение инерционности системы и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что система управления вентильным двигателем содержит блок ввода управляющих сигналов, регулятор скорости, блок выделения модуля, регулятор тока, блок формирования управляющих сигналов, силовой преобразователь, вентильный двигатель, датчик положения ротора, датчик скорости, датчик тока, источник питания и отличается тем, что в нее введен блок перемножения выходного сигнала регулятора скорости и выходного сигнала регулятора тока, причем выход блока ввода управляющих сигналов соединен с первым входом регулятора скорости, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, выход регулятора скорости соединен с входом блока выделения модуля и вторым входом блока перемножения, выход блока выделения модуля соединен с первым входом регулятора тока, второй вход которого соединен с выходом датчика тока, выход регулятора тока соединен с первым входом блока перемножения, выход блока перемножения соединен с первым входом блока формирования управляющих сигналов, второй вход которого соединен с выходом датчика положения ротора, управляющие выходы блока формирования управляющих сигналов соединены с входами силового преобразователя, выходы которого соединены с фазами вентильного двигателя.

Предлагаемое техническое решение объясняется с помощью фиг. 1-3:

фиг. 1 - структурная схема системы управления скоростью вращения вентильного электродвигателя;

фиг. 2 - схема включения датчика тока в цепь питания силового преобразователя;

фиг. 3 - амплитудно-частотная и фаза-частотная характеристики реальной системы управления вентильным двигателем.

Структурная схема системы управления вентильным электродвигателем изображена на фиг. 1. Система управления вентильным двигателем содержит блок ввода управляющих сигналов 1, регулятор скорости 2, блок выделения модуля 3, регулятор тока 4, блок перемножения 5, блок формирования управляющих сигналов 6, силовой преобразователь 7, вентильный электрический двигатель 8, датчик положения ротора 9, датчик скорости 10, датчик тока 11, источник питания 12.

Согласно структурной схеме (фиг. 1) блоки системы управления скоростью вращения вентильного электродвигателя соединены следующим образом. Выход блока ввода управляющих сигналов 1 и выход датчика скорости 10 соединены с первым и вторым входами регулятора скорости 2 соответственно. Выход регулятора скорости вращения 2 соединен с входом блока выделения модуля 3 сигнала задания скорости вращения электродвигателя 8 и вторым входом блока перемножения 5. Выход блока выделения модуля 3 сигнала задания скорости вращения электродвигателя 8 и выход датчика тока 11 соединены с первым и вторым входом регулятора тока 4 соответственно, выход которого соединен с первым входом блока перемножения 5. Выход блока перемножения 5 соединен с первым входом блока формирования управляющих сигналов 6. На второй вход блока формирования управляющих сигналов 6 подается выходной сигнал датчика положения ротора 9. Выходы блока формирования управляющих сигналов 6 q1-q6 подключаются к управляющим входам силового преобразователя 7 VT1-VT6, питание которого осуществляется от источника питания 12 со встроенным датчиком тока 11. Выходные сигналы с блока перемножения 5 и датчика положения ротора 9 определяют номера и длительность включения активных элементов силового преобразователя 7. Выходы блока силового преобразователя 7 подключены к входам А, В, С вентильного электродвигателя 8.

Система управления скоростью вращения вентильным электродвигателем работает следующим образом. С помощью блока ввода управляющих сигналов 1 задается необходимое значение скорости вращения ротора вентильного электродвигателя 8 (скорость вращения пропорциональна амплитуде входного сигнала). Заданное значение скорости вращения сравнивается с выходным сигналом датчика скорости 10 для выделения рассогласования (сигнал ошибки) в блоке регулятора скорости 2. После чего рассогласование по скорости преобразуется регулятором скорости 2 в сигнал задания скорости вращения вентильного электродвигателя 8. Далее сигнал задания скорости вращения вентильного электродвигателя 8 подается на схему блока перемножения 5 и блок выделения модуля 3 сигнала задания скорости вращения вентильного электродвигателя 8 для устранения отрицательного знака (в случае изменения направления вращения электродвигателя 8). После выделения модуля сигнал задания скорости сравнивается с выходным сигналом датчика тока 11 в блоке регулятора тока 4, после чего получившийся сигнал рассогласования по току преобразуется в сигнал задания необходимой величины тока. Далее выходной сигнал регулятора тока 4 и сигнал задания скорости регулятора скорости 2 подаются на входы блока перемножения 5, выходной сигнал которого подается на первый вход схемы формирователя управляющих сигналов 6, а на второй вход подается выходной сигнал датчика положения ротора 9. Исходя из совокупности выходных сигналов датчика положения ротора 9 и блока перемножения 5 на выходах q1-q6 блока формирования управляющих сигналов 6 генерируются прямоугольные импульсы различной длительности и порядка. Длительность выходных импульсов блока формирования управляющих сигналов 6 зависит от амплитуды выходного сигнала блока перемножения 5, а порядок - от логической комбинации датчика положения ротора 9 вентильного электродвигателя 8. Далее выходные импульсы блока формирования управляющих сигналов 6 подаются на входы VT1-VT6 силового преобразователя 7, который представляет собой стойку на базе 6-ти мощных полевых или IGBT-транзисторов. Силовой преобразователь 7 преобразует управляющие сигналы в напряжение на обмотках статора А, В, С вентильного электродвигателя 8. При этом вал двигателя начинает вращаться с угловой скоростью и знаком, установленным блоком ввода управляющих сигналов 1. Скорость вращения и перемещение вала вентильного электродвигателя 8 измеряются датчиком скорости 10 и датчиком положения ротора 9 соответственно. Измерение тока, потребляемого вентильным электродвигателем 8 в зависимости от изменения скорости вращения или момента на валу, осуществляется датчиком тока 11, установленным в схему источника питания 12.

В случае аналогового исполнения система управления вентильным двигателем может быть реализована на следующей элементной базе. Блок ввода управляющих сигналов исполнен на базе программно-логического контролера или микропроцессорного блока с ЦАП. Блок регулятора скорости, выделения модуля и регулятор тока выполняются на базе прецизионных операционных усилителей типа OP07CDR, LM324DR или др. Блок перемножения может быть исполнен на микросхеме AD633JN.

В основе работы блока формирования управляющих сигналов лежит схема широтно-импульсного модулятора и программно-запоминающего устройства. Схема широтно-импульсного модулятора может быть выполнена на операционном усилителе OP07CDR, включенного по схеме компаратора, на вход которого подается сумма выходных сигналов блока перемножения и внешнего генератора (пилообразные импульсы). Выходной сигнал широтно-импульсного модулятора подается на времязадающий вход программно-запоминающего устройства. Далее программно-запоминающее устройство (например, КР155РЕЗ) формирует управляющие сигналы для схемы силового преобразователя. Алгоритм работы программно-запоминающего устройства корректируется выходным сигналом датчика положения ротора. Датчик положения ротора обычно встроен в двигатель и выполняется на базе датчика Холла или оптического энкодера. Для упрощения схемы включения датчика тока он устанавливается на положительном полюсе источника питания схемы силового преобразователя (фиг. 2).

Схема силового преобразователя может быть выполнена на базе мощных полевых или IGBT транзисторах с защитными диодами. Датчик тока реализуется на базе шунтирующего резистора с малым значением сопротивления. Измерять падение напряжение на шунте можно, используя дифференциальный усилитель с гальванической развязкой по входу.

Существенным отличием представленной системы управления скоростью вращения вентильного электродвигателя является изменение совокупности связей структурной схемы путем введения блока перемножения выходного сигнала регулятора скорости и выходного сигнала регулятора тока. Перемножение сигнала регулятора скорости и регулятора тока позволяет определить направление вращения электродвигателя и длительность управляющих импульсов. Введение блока перемножения дает возможность исключить из структурной схемы блок определения направления вращения и устройство определения модуля сигнала суммарного тока. Данное техническое решение приводит к упрощению схемы системы управления, а также к снижению инерционности системы и повышению надежности.

Для подтверждения технического результата проведены испытания макетного образца системы управления скоростью вращения вентильного электродвигателя согласно требованиям ГОСТ 27803-91 [3].

Практические испытания показали, что диапазон регулирования скорости составил 9500, а полоса пропускания частот равна 123 Гц, коэффициент неравномерности вращения К_Н≤0,25. Частотные характеристики системы управления (АЧХ и ФЧХ), представлены на фиг. 3.

Экспериментальные исследования системы управления проводились на базе вентильного электродвигателя КМ-090-32-02.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ источников

1. Способ векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами на роторе. Патент РФ 1681371, МПК: Н02Р 21/12.

2. Электропривод серии ЭПБ-2 техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1992 г.

3. ГОСТ 27 803-91 Электроприводы, регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования.

Система автоматического управления скоростью вращения вентильного электродвигателя, содержащая блок ввода управляющих сигналов, регулятор скорости, блок выделения модуля, регулятор тока, блок формирования управляющих сигналов, силовой преобразователь, вентильный двигатель, датчик положения ротора, датчик скорости, датчик тока, источник питания, отличающаяся введением в нее блока перемножения выходного сигнала регулятора скорости и выходного сигнала регулятора тока, причем выход блока ввода управляющих сигналов соединен с первым входом регулятора скорости, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, выход регулятора скорости соединен с входом блока выделения модуля и вторым входом блока перемножения, выход блока выделения модуля соединен с первым входом регулятора тока, второй вход которого соединен с выходом датчика тока, выход регулятора тока соединен с первым входом блока перемножения, выход блока перемножения соединен с первым входом блока формирования управляющих сигналов, второй вход которого соединен с выходом датчика положения ротора, управляющие выходы блока формирования управляющих сигналов соединены с входами силового преобразователя, выходы которого соединены с фазами вентильного двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для управления тяговыми электромашинами (синхронной и асинхронной) в составе транспортных средств, судов и прочих устройств. Инвертор состоит из алюминиевого корпуса, силового модуля IGBT, силового конденсатора, датчиков выходного тока, печатной платы системы управления двухслойного исполнения, колодки подключения, гермовводов, при этом силовой модуль IGBT крепится к основному корпусу инвертора, который также совмещает функцию жидкостного охлаждения, через внешние штуцеры охлаждающая жидкость подается внутрь корпуса инвертора и через тепловой контакт охлаждает силовой IGBT модуль, а выходные шины с модуля IGBT через датчики тока на основе эффекта холла подключаются к колодке подключения инвертора, которая служит для подключения входного напряжения постоянного тока и выхода трех фаз электродвигателя, при этом входное напряжение посредством шин подключается к силовому конденсатору звена постоянного тока и далее через терминалы к модулю IGBT, а внешний разъем сигнальных интерфейсов подсоединяется непосредственно к печатной плате системы управления, которая включает в себя датчик напряжения звена Ud и систему управления, содержащую внешние интерфейсы и силовые драйверы.

Способ определения момента нагрузки асинхронного электродвигателя // 2784324

Асинхронный электропривод для измерения момента сопротивления, создаваемого нагрузкой двигателя. Измеряют мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразуют трехфазные значения токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений.

Способ управления электродвигателем переменного тока // 2775819

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования загрузки электродвигателей переменного тока. Технический результат заключается в повышении точности измерений электромагнитного момента и мощности.

Способ регулирования многофазной электрической машины и система многофазной электрической машины для такого способа // 2773000

Группа изобретений относится к способу и системе управления многофазной электрической машиной, в частности асинхронной машиной. Асинхронная машина содержит: ротор, статор и минимум две фазные обмотки.

Низкоскоростной прецизионный электропривод с компенсацией влияния несоосности механической передачи // 2772727

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении качества отработки и регулирования малых угловых скоростей объекта управления путем компенсации погрешности, вызванной несоосностью ротора двигателя и объекта управления, в случае, когда контур обратной связи замкнут по угловому положению ротора двигателя.

Способ идентификации постоянной времени ротора и взаимной индуктивности статора и ротора асинхронного двигателя в системе векторного полеориентированного управления // 2771794

Изобретение относится к способу управления электродвигателями с помощью векторного управления. Способ идентификации постоянной времени Tr ротора асинхронного двигателя в системе векторного полеориентированного управления заключается в том, что задают начальные значения постоянной времени Tr ротора и тока Id, далее не менее двух раз задаются разные значения тока Iq, при которых измеряется момент на валу асинхронного двигателя, фиксируют в заданный момент времени значения угловой частоты вращения ротора, магнитного потока и нагрузки на роторе, и с учетом этих параметров фиксируют изменение моментообразующей составляющей тока Iq, которая будет соответствовать новому значению Iq1, а также значение электромагнитного момента М1.

Способ управления синхронной электрической машиной // 2771632

Группа изобретений относится к устройству для управления синхронным двигателем. Способ управления синхронной трехфазной электрической машиной, содержащей статор и ротор, заключается в том, что измеряют токи первой и второй фаз упомянутого статора, измеряют угловое положение ротора, вычисляют упомянутые токи, измеренные в системе (d, q) отсчета ротора, вычисляют погрешность автоматического управления, рекурсивно вычисляют напряжения компенсации гармоник тока, вычисляют управляющие напряжения для электрической машины и подают управляющие напряжения на электрическую машину.

Устройство экстремального управления асинхронного двигателя // 2766907

Изобретение относится к устройству управления электродвигателями с помощью векторного управления. Устройство экстремального управления асинхронного двигателя содержит преобразователь частоты, два преобразователя координат, задатчик скорости, первый и второй регуляторы тока, первый, второй и третий элементы сравнения, регулятор скорости, вычислитель d-составляющей тока двигателя, вычислитель q-составляющей тока двигателя, вычислитель скольжения, вычислитель угла поворота и датчик скорости.

Способ построения линейного электропривода // 2762288

Изобретение относится к электротехнике, в частности к линейным вентильным электродвигателям, а именно способу обеспечения поступательного движение подвижной части электродвигателя, а именно ротора в виде слайдера. Технический результат заключается в повышении удельной мощности электродвигателя, уменьшении шага полюсного деления, повышении точности позиционирования подвижной части электродвигателя.

Система и способ векторного управления электродвигателем с постоянными магнитами // 2760227

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для минимизации потерь электроэнергии, бездатчикового регулирования вентильных электродвигателей с постоянными магнитами, в том числе для электронасосов нефтяных скважин, а также электродвигателей, применяемых в промышленности и городском хозяйстве.

Автоматическая система стабилизации подвешенных грузов с автоматическим управлением // 2606244

Изобретение относится к автоматической системе стабилизации скорости вращения по меньшей мере одного подвешенного груза, прикрепленного к вертолету. Автоматическая система содержит по меньшей мере одно аэродинамическое средство - крыло (9), причем крыло (9) по меньшей мере частично закреплено на подвешенном грузе, по меньшей мере одну систему перемещения, выполненную с возможностью перемещения по меньшей мере части крыла (9), по меньшей мере один датчик угловой скорости, определяемый здесь как первичный датчик, по меньшей мере одно программное обеспечение или компьютерную программу и по меньшей мере один процессор, на котором по меньшей мере установлено программное обеспечение.