Способ управления вентильным двигателем и устройство для его осуществления

 

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, содержащим синхронную машину, заключающийся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно ротора цифровым методом, основанным на цифровом измерении фазы.между вектором тока, положение которого определяют по выходным сигналам датчика тока, и осью стабилизации, угловое положение которой задается выходным сигналом кодового датчик^ на валу двигателя, с последующим сдвигом на эту величину угла коммутации силовых элементов, о тлич ающийс я тем, что, с целью повышения КПД, расширения Функциональных возможностей и улучшения качества переходного процесса, в переходных режимах задают сигнал, соответствующий знаку вращающего мо- '. мент.а, сравнивают его с выходным сигналом кодового датчика положения ротора, и результирующим сигналом изменяют угловое положение оси стабилизации в направлении вектора токас частотой, равной частоте импульсов выходного сигнала кодового датчика положения ротора.2. Устройство для управления вентильным двигателем, содержащее инвертор с цифровь1ми вход- . ными шинами и шиной задания величины выходного -многофазного напряжения, к выходу инвертора подключен многофазный двигатель с установленными, на его валу тахогенератором постоянного тока и кодовым датчиком, состоящим из датчика положения ротора по числу фаз двигателя, импульсного датчика и реверсивного счетчика, а к входным цифровым шинам инвертора подключен двухвходовой сумматор, на одном из входов которого установлен регистр с логической схемой после- • довательиого ввода цифровых данных в него, логическая схема содержит три входные шины, первая из которьтх \ соединена с выходом Формирователя датчиков тока s фазах двигателя, а вторая входная шина соединена с вторым входом сумматора на входных шинах инвертора, отличагощеес я тем, что, в него введен второй двухвходовой сумматор, первый вход которого соединен с цифровыми шинами кодового датчика, второй вход соединен с цифровыми выходными шинами реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом импульс- ; ного датчика и третьей входной шиной логической схемы, входная шина режима работы счетчика соединена с входной шиной инвертора, а вькодные шины второго сумматора соединены с вторым входом первого сумматора.i(Л00-«ч1;о •чсо

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 973 А1 (51) 5 Н 02 К 29/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А BTGPCHG5 СВИДЕ ГЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 2802994/24-07 (22) 30. 07. 79 (46) 23.04.90. Бюл. М - 15 (72) В.И. Кочергин, А.Ф.Лекарев, Н.С.Баранов и С.А.Эавестовский (53) 621.313.13.014.2:621.382(088.8) (56) Цоканов В.В. Реверсивный бесколлекторный электропривод постоянноro тока с транзисторным коммутатором, Известия ВУЗ, Электромеханика", 1964, N 7, с. 889-892.

Патент Японии, кл. 55 А 42, И 9820, 1 957.

Авторское свидетельство СССР

N- 674163, кл. Н 02 К 29/02, 1974. (54)(57) 1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЬК ДВИГАТЕЛЕ11 И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, содержащим синхронную машину, заключающийся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно ротора цифровым методом, основанным на цифровом измерении фазы. между вектором тока, положение которого определяют по выходным сигналам датчика тока, и . осью стабилизации, угловое положение которой задается выходным сигналом кодового датчика на валу двигателя, с последующим сдвигом на зту величину угла коммутации силовых злементов, отличающийся тем, что, с

- целью повышения КПД, расширения Функциональных возможностей и улучшения

:качества переходного процесса, в переходных режимах задают сигнал, соответствующий знаку вращающего момента, сравнивают его с выходным сигналом кодового датчика положения ротора, и результирующим сигналом изменяют угловое положение оси стабилизации в направлении вектора. тока

2 с частотой, равной частоте импульсов выходного сигнала кодового датчика положения ротора.

2. Устройство для управления вентильным двигателем, содержащее инвертор с цифровыми входными шинами и шиной задания величины выходного многофазного напряжения, к выходу инвертора подключен многофазный двигатель с установленными на его валу тахогенератором постоянного тока и кодовым датчиком, состоящим из датчика положения ротора по числу фаз двигателя, импульсного датчика и реверсивного счетчика, а к входным цифровым шинам инвертора 9 подключен двухвходовой сумматор, на одном из входов которого установлен регистр с логической схемой после. довательного ввода цифровых данных в него, логическая схема содержит

1 три входные шины, первая из которых соединена с выходом формирователя датчиков тока в Фазах двигателя, а вторая входная шина соединена с вторым входом сумматора на входных ши-. нах инвертора) о т л и ч à ю щ е ес я тем, что, в него введен второй двухвходовой сумматор, первый вход которого соединен с цифровыми шинами кодового датчика, второй вход соединен с цифровыми выходными шинами реверсивного счетчика, счетнъй вход р которого соединен с выходом импульсного датчика и третьей входной шиной

3 логической схемы, входная шина режима работы счетчика соединена с входной шиной инвертора, а выходные шины второго сумматора соединены с вторым входом первого сумматора.

807973

Изобретение относится к управлению электродвигателями, а именно к уп, равлению вентильным двигателем, включающим многофазную синхронную или синхронно-реактивную машину с расположенным на ее валу кодовым датчиком и инвертором, силовые элементы которого управляются от сигналов этого датчика, и может быть использовано в реверсивных следяще-регулируемых электроприводах с цифровым управлением, которые применяются в различных областях народного хозяйства (электроприводы станков с ЧПУ, промышленных роботов, автоматических линий и т.д.)

Известны способы управления вентильным двигателем, основанные на различчых методах стабилизации угла коммутации силовых элементов инвертора, регулирования его выходного напряжения и скачкообразном изменении на 180 град эл.угла коммутации при смене знака электромагнитного момента. 25

Основным недостатком этих способов управления является невозможность обеспечения высокого КПД синхронного двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением на всех скоростях вращения, либо невозможность получения одинаковых характеристик привода для одного и другого направления движения. Еще более низкий КПД получается при использовании этих способов, когда в периоде устанавливается синхронно-реактивный двигатель, где к укаэанным проблемам добавляется сложность его пуска.

Необходимо также отметить -неуп- 40 равляемый характер переходных процессов в двигателе при этих способах управления, когда при изменении,полярности входных сигналов управления возникают значительные токи в статорных обмотках, а наличие продольной составляющей тока статора приводит к размагничиванию ротора.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретеник является способ управления многофазным вентильным двигателем основанный на стабилизацИи углового положения вектора тока статора по поперечной оси ротора двигателя цифровым методом, 55 заключающимся в цифровом измерении

Фазы между вектором тока статора и выходным сигналом кодового датчика с последующим сдвигом на эту величину угла коммутации силовых элементов инвертора по направлению вращения двигателя, а также изменением на

180 град.эл.выходного: напряжения инвертора при смене знака электромагнитного момента и направления вращения.

Из известных устройств для реализации этого способа управления наиболее близким по технической сущности является устройство управления вентильным двигателем. Это устройство содержит многофазную синхронную ма-. шину, на валу которой расположен датчик положения ротора с выходными шинами, число которых равно числу

Фаз машины, а также импульсный датчик с двумя выходами, служащими для получения сдвинутых на > /2, на Фазе сигналов, счетчик, вход которого соединен с выходом импульсного датчика, а шина установки в исходное состояние счетчика соединена через блок дифференцирования с выходными шинами датчика положения ротора, и многофазный инвертор с цифровыми входными шинами, где в фазе двигателя установлен датчик тока, выходная шина которого.соединена через блок формирования с управляющим входом регистра, а выходные шины датчика положения ротора и счетчика, а также выходные шины регистра соединены с входными шинами сумматора, выход которого соединен с входными шинами инвертора, питающего многофазную синхроннук машину.

Принцип работы этого устройсTBa заключается в том, что цифровые сигналы положения ротора поступают на первый вход сумматора, а на второй его вход подак тся цифровые сигналы с регистра, куда последовательно вводится цифровой сигнал эквивалентный углу между вектором тока статора и поперечной осью ротора, что обеспечивает разворот относительно ротора цифровых сигналов íà выходе сумматора.

Цифровые сигналы на выходных шинах сумматора, которые Формируют многофазные выходные напряжения инвертора, при этом обеспечивают неизменность направления вектора тока статора относительно поперечной оси ротора двигателя. цель изобретения — повышение КПД, улучшение качества переходного процесса и расширение функциональных возможностей.

73 6 вектором потока ротора ф и вектором тока статора I поддерживается равным 90 град.эл., на Фиг. 2 векторная диаграмма с этим же двигателея, когда этот угол отличается от 90 град.эл. при этом угол между вектором напряжения статора U и тока I, равен нулю ((f 0)1 на фиг.З вЂ” векторная диаграмма вентильного двигателя с двухполюсной син-. хронно-реактивной машиной, когда угол. между вектором тока статора Х и продольной осью ротора поддерживается равным р 4 45 град .эл, На этих чертежах показано также положение ротора двигателя относительно сигналов кодового датчика, емкость когорого принята равной 600. На фиг. 4 представлена функциональная схема устройства на Фиг. 5 — сигналы с выхода ко-. довбго датчика н цифровые сигналы, эквивалентные трехфазному коду сиги,, e„ÿ, Согласно способу управления вентильным двигателем, например, с двух полюсной синхронной машиной, заключающемуся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно ротора, например, по поперечной оси с1 (фиг.1)., на нулевой частоте вращения векторы U и 1 совпадают по направлению с осью q,. При этом направление вектора U по поперечной оси создается соответствующим выставлением кодового датчика относительчо ротора. Злектрнческий двигатель создает при этом максимальный момент положительного направления (против часовой стрелки). При увеличении частоты вращения возникает угол q p 0 между вектором напряжения

U и тока I. Измеренное цифровое значение этого угла добавляется к цифровым сигналам кодового датчика и цифровые сигналы результата сложения

Формируют трехфазные напряжения, подаваемые на питание синхрониого двигателя, что обеспечивает разворот вектора U по направлению вращения двигателя. При этом вектор Х,остается всегда по направлению оси q, что обеспечивает максимальный момент двигателя на всех частотах вращения.

Ъ 807 9

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления вентильным двигателем, заключающемся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно положения ротора двигателя циФровым методом, основанным на цифровом сравнении выходных сигналов датчика тока и датчика положения ротора с последующим сдвигом на эту величину. угла коммутации силовых элементов, в переходных режимах задают сигнал, соответствующий знаку вращающего момента, сравнивают .его с выходными сигналами датчика положения 15 и датчика тока и результирующим сиг" налом изменяют положения от стабилизации в направлении сектора тока с частотой, равной частоте импульсов выходного сигнала кодового датчика по- 20 ложения ротора.

В устройстве, реализующем данный способ управления, содержащем инвертор с циФровыми входными шинами и входной шиной величины выходного на- 25 пряжения, к выходу инвертора подклк чен двигатель с установленными на его валу тахогенератором постоянного тока и кодовым датчиком положения, остоящим из датчика положения ротора, им- ЗО пульсного датчика и реверсивного счетчика, а к входным цифровым шинам инвертора подключен двухвходовой сумматор, на одном из входов которого установлен регистр с логической схемой последовательного ввода цифровых

35 данных в него логическая схема содержит три входные шины, первая из которых соединена с выходом Формирователя с датчиков тока в фазах двигателя, а вторая входная шина соединена с. вторым входом сумматора на входных шинах инвертора, введен второй двухвходовой сумматор, первый вход которого, соединен с цифровыми шинами кодового датчика, второй .вход соединен

Э с цифровыми выходными шинами реверсивного счетчика, счетный вход которого саединен с выходом импульсного датчи. к и третьей входной шиной логической схемы, входная. шина режима работы счетчика соединена с входной шиной инвертора, а выходные шины второго сумматора соединены с вторым входом первого сумматора.

На фиг. 1 приведена векторная диаграмма вентильного двигателя с двухполюсной синхронной машиной, когда на всех скоростях вращения угол между

Уравнения равновесия двигателя при этом

И =К r" + Х И +IZ

3 7

807973

7 где Е - ЗДС двигателя на номинальной я частоте вращения, f = f/f„ относительное значение частоты вращения, 5

R — сопротивление статорной обмотки", Х1-ХаФ+Х1 -" т" ное сопрот ление машины по поперечной оси, 10

Х 4 — сопротивление реакции якоря, Х < — сопротивление рассеяния.

Для смены знака момента и направления вращения, согласно способу управления,положение оси стабилизации тока статора изменяется (от положительного направления до поперечной оси к отрицательному) разворотом ее против направления движения ротора двигателя путем последовательного суммирования к цифровым сигналам кодового датчика циФр от 599 до 3000 этого же датчика„что обеспечивает разворот вектора тока I по отрицательному значению оси q и смену знака мо- 25 мента. При этом развороте возникает продольная составляющая тока статора,. которая направлена только на намагничивание ротора:

Прн смене направления врашечия 30 двигателя, когда цифровые сигналы кодового датчика изменяются в обратном направлении (от 599 до О), цифровое выражение угла (g будет выдаваться в обратном коде и его добавление. цифров"@ сигналам кодового датчика обеспечивает также, как при прямом направлении вращения, разворот вектора напряжения U Flo направлению вращения. При этом вектор I будет всегда 40 направлен по отрицательному значению поперечной оси о, что создает максимальный момент двигателя на всех частотах вращения.

Использование способа управления 45 применительно к вентильному двигателю с синхронной машиной., когда стабилизация,углового положения вектора тока ,статора осуществляется не под прямым углом к продольной оси, а под несколь 50 ко большим (меньшим) углом (Фиг.2) не отличается от описанного выше. В этом случае разворот оси стабилизации тока статора для прямого направления вращения I к оси для обратного направления вращения ЕЕ осуществляется согласно способу правления путем последовательного суммирования к цифровым сигналам кодового датчика цифр этого же датчика от 599 до значения меньше 300

Согласно способу управления веитильным двигателем, например, с двухполюсной синхронно-реактивной машиной, заключающимся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно ротора по направленио Е под углом Р к продольной оси (Фиг.3), на нулевой частоте вращения векторы U и I совпадает по направленик и двигатель создает момент в положительном направлении. При увеличении частоты вращения возникает угол q между векI торами U u I. Измеренное цифровое значение этого угла добавляется к цифровым сигналам кодового датчика и цифровые сигналы результата сложения

Формируют трехфазные напряжения, подаваемые на питание синхронно-реактивного двигателя, что обеспечивает разворот вектора Б по направленик вращения двигателя. При этом вектор

I остается всегда по направлению I под углом ф к оси с1

Уравнение равновесия двигателя при этом

U = IR + jI X>f .+ jI Х f (2)

Согласно способу управления для смены знака момента и направления движения положение оси стабилизации тока статора, изменяется (поворот оси I по часовой стрелке до положения ЕЕ) против направления движения двигателя путем последовательного суммирования к цифровым сигналам кодового датчика цифр этого же датчика от 599 до значения, когда вектор тока статора установится по оси II, что обеспечит изменение знака момента и т.д .

Все сказанное выше в равной мере относится и к двигателю с линейным движением, а также к двигателк с большим числом пар полксов. Так, например, в макетном образце устройства, реализукщим данный способ управления, был применен синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов при числе пар полюсов

2 р = 12.

Устройство для управления вентильным двигателем содержит: многофазный инвертор 1 с циФровыми входными шинами 2, шиной 3 управления величиной выходного многофазного напряжения и выходными шинами 4 многофазных напряжений Оа, Е1, U, которые подклю807973

10 чены к статорным обмоткам синхронного двигателя 5; на одном валу с двигателем установлены тахогенератор 6 постоянного тока и кодовый датчик 7

5 к входным шинам 2 инвертора подклю.чен двухвходовый сумматор 8, на пер;вом входе 9 которого установлен регистр 1,0, состоящий из реверсивного счетчика 11 и логической схемы 12 последовательного ввода цифровых данных в него, первый вход 13 логической схемы 12 соединен с в-орым входом 14 сумматора 8 и выходом второго двухвходового сумматора 15, второй вход 16 схемы 12 соединен с выходом

Формирователя прямоугольных сигналов

17 с датчиков тока в фазах двигателя

18, а третий вход 19 схемы 12 соеди.нен с выходом одного из узлов ходо- 20 ного датчика 7, первый цифровой вход

15 соединен с цифровым выходом 20 кодового датчика 7, второй цифровой вход 15 соединен с цифровыми выходными шинами реверсивного счетчика 21, 25 счетный вход которого соединен с выходом импульсного датчика 22, который вместе с реверсивным счетчиком

23 составляет кодовый датчик 7, а вход впадания режима работы счетчика

21 соединен с входной шиной 3 инвертора. На входную шину 3 подается сигнал разности между входным сигналом нацряжения и сигналом тахогенератора.

Вход 1 9 логической схемы 1 2 соединен с выходом импульсного датчика 22.

Принцип работы схемы устройства .рассмотрим для случая применения в нем синхронного двигателя, когда осу- 40 ществляется стабилизация углового положения вектора тока статора по поперечной оси ротора. При этом прием, что кодовый датчик положения выдает на электрическом обороте цифро- 45 вые сигналы от 0 до 599.

Пусть положительная полярность напряжения на входной шине 3 инвертора соответствует созданию положительного знака электромагнитного момента двигателя 5 и устанавливает режим работы счетчика 21 на суммирование импульсов датчика.22. При этом счетчик

21 установлен в нулевое положение.

На нулевой частоте Вращения Век торы тока и напряжения совпадают по направлению, а поскольку в регистр 10

:. также установлено нулевое. значение, то цифровые сигналь кодового датчика

7 проходят без изменения через сум- маторы 15 и 8 на входные цифровые шины 2 инвертора. Эти сигналы Формируют на выходных шинах 4 инвертора трехфазные напряжения Up, U, U<, питающие синхронный двигатель 5. При этом векторы напряжения и тока статора расположены по поперечной оси ротора и положительный момент синхронного двигателя максимален. При вращении двигателя импульсы с кодового датчика 22 поступают в реверсивный счетчик 21, íî его переключения не происходит поскольку для режима суммирования нулевое состояние счетчика осуществляет блокировку íà его дальнейшее переключение. Следовательно, в этом случае цифровые сигналы кодового датчика 7 поступают без изменения на входные шины 14 сумматора 8; а сигналы старшего разряда

Q<, Q<, Q» кроме этих входных шин поступают на входные шины 13 логической схемы 1 2. В 12 производится измерение Фазы между трехфазными сигналами Q1, Q<, Q и такими же по Форме трехфазными сигналами, которые сФормированы из токов Фаэ в блоке

17.. При отставании прямоугольных сигналов тока от сигналов на входной шине 1 3, что происходит при увеличении частоты вращения, логическая схема пропускает сигналы датчика импульсов

22 на вход счетчика 11 для суммирования. Появление цифровых сигналов на выходных шинах счетчика 1.1 приводит к развороту веКтора напряжения, которое Формируется .в инверторе

1 от цифровых сигналов 8, по направлению вращения двигателя. тот разворот производится до тех пор дока прямоугольные трехфазные сигналы тока с выхода 17 не совпадут с прямоугольньии сигналами. („,, Q старшего разряда датчика 7. Этому моменту соответствует установка вектора тока статора строго по поперечной оси 4, (Фиг.2). В это время схема 12 запрещает поступление импульсов на счетчик

11 и в нем хранится число, пропорциональное углу g мMeеж ду rвrеeкKтTоOр о м тTоDкKа . I и вектором напряжения U. Если в результате изменения нагрузки либо снижения частоты вращения произойдет уменьшение угла (, то прямоугольные трехфазные сигналы тока с выхода 17 будет опережать прямоугольные сигналы на входной шине 13 и логическая схе807973

l2 ма 12 пропустит сигналы датчика 22 импульсов в счетчик 11 для режима вычитания. Это будет продолжаться до тех пор пока вектор тока статора не .будет .установлен по поперечной оси q. Этот процесс поддержания вектора тока статора по поперечной оси происходит непрерывно. При этом сравнение совпадения сигналов на входных шинах 16 и 13 может производится как по одной Фазе, так и по любому числу

Фаз двигателя одновременно. Следовательно, при вращении двигателя на любой скорости и любом значении нагрузки сохраняется положение вектора тока статора синхронкой машины по поперечной оси, когда момент двига-. теля максимален, а КПД достаточно высок °

Ъб

При смене знака момента, что соответствует изменению полярности на входной шине 3 инвертора, изменяется режим работы счетчика 21: он пере- 25 водится в режим вычитания. В этом режиме он вычитает импульсы.с выхода импульсного датчика 22. Из нулевого положения он последовательно переходит в положение 599 до 300, когда 30 дальнейшая работа счетчика в режиме вычитания прекращается блокировкой °

Появление цифровых сигналов от 599 до 300 на выходных шинах 21 приводит к развОроту цифрОвых сигналов кОДОВО го датчика, которые передаются через

15, относительно ротора против направления вращения. Во время разворота этих сигналов происходит изменение оси стабилизации вектора така 40 статора, относительно которой регистр

1 0 поддерживает все время неизменным направление вектора. При цифровом сигнале на выходе 21 соответствующем цифре 300 разворот оси стабилизации прекращается. Этому соответствует изменение сигналов. кодового датчика на выходных шинах

15 на инверсные Q,, 0, 9 .,При этом двигатель будет развивать максимальный момент другого знака.

При переводе вектора тока статора от.направления по оси ц к направлению по отрицательному значению этой оси появляется продольная составляю- щая тока статора Х,1 которая направлена только на намагничивание ротора машины.

В результате действия электромагнитного момента другого знака двигатель изменит направление вращения, где работа блок-схемы устройства происходит аналогичным образом, Таким образом, предложенный способ позволяет:

1 . Осуществлять стабилизацию вектора тока статора по оси расположенной под любым оптимальным углом к продольной оси ротора, что ведет к сохранению высокого КПД на всех частотах вращения.

2. Испольэовать в этом оптимальном режиме не только синхронную машину, но и синхронно-реактивную, которая наиболее проста и технологична.

3. В переходных режимах обеспечить только намагничивание ротора синхронного двигателя, что не дает возможности произойти необратимому размагничиваник постоянных магнитов и ведет к улучшению массо-габаритных локазателей.

807973

Техред Л. Сердюкова Корректор О.Ципле

Редактор Л. Письман

Заказ 1693 Тираж 441 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101