Бесконтактный моментный привод
NON-CONTACT TORQUE DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бесконтактным моментным приводам (БМП) на базе синхронных машин, и может быть использовано при разработке электроприводов для систем автоматического управления летательными аппаратами.
Известен электропривод на базе синхронной машины с m-фазной обмоткой на статоре и постоянными магнитами на роторе, работающий в режиме вентильного электродвигателя, то есть замкнутого обратной связью по положению ротора (см. Беленький Ю.М., Микеров А.Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода. Л., ЛДНТП, 1990 г., стр. 4). При этом сигнал углового положения ротора получают с отдельного датчика положения ротора (ДПР) различного типа (редуктосин серии ВТ, датчик Холла, фотоэлектрический и т.д.).
Недостатком подобного электропривода является необходимость дополнительного конструктива в виде ДПР, увеличивающего его массу и габариты.
Указанный недостаток устранен в электроприводе, в котором сигнал углового положения ротора формируется специальной электронной схемой по другим доступным измерению координатам (индуктивности фаз, ЭДС вращения электродвигателя и т.д.) (см. Товарищество «МЭЛМА», Бесконтактные моментные электродвигатели ДБМ, Справочник, Москва, 1992 г., стр. 8).
Недостатком этого привода является сложность формирования сигнала углового положения ротора электродвигателя в реальных условиях эксплуатации из-за наличия электрических помех, нелинейностей и нестационарности звеньев электропривода.
Целью изобретения является устранение указанного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в БМП, содержащем датчик положения выходного звена электропривода, редуктор, синхронный m-фазный электродвигатель, фазные обмотки которого связаны с m-фазным выходом силового блока, датчик тока электродвигателя и сумматор, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика положения выходного звена электропривода, а на суммирующий вход сумматора поступает сигнал заданного положения выходного звена электропривода, дополнительно введены узел выделения модуля входного сигнала, сумматор, математическая модель электродвигателя и математическая модель ДПР, состоящая из управляемого m-фазного генератора частоты, частотного m-фазного модулятора и узла реверса, причем выход сумматора соединен с первым входом узла реверса, а через узел выделения модуля входного сигнала с первым входом m-фазного модулятора и суммирующим входом дополнительного сумматора, выход которого соединен со входом математической модели электродвигателя, выходной сигнал которой через управляемый m-фазный генератор частоты поступает на второй m-фазный вход модулятора, m-фазный выход которого соединен со вторым m-фазным входом узла реверса, выход которого поступает на вход m-фазного силового блока, а выходной сигнал датчика тока электродвигателя поступает на вычитающий вход дополнительного сумматора. Форма переменного сигнала на выходе управляемого генератора частоты может быть синусоидальной или прямоугольной (меандр), а количество фаз определяется типом электродвигателя.
На фиг. 1 показан пример функциональной схемы предлагаемого БМП на базе 2-фазного синхронного электродвигателя и управляемого генератора частоты прямоугольной формы; на фиг. 2, 3 - эпюры напряжений дополнительно введенных элементов функциональной схемы, поясняющие процесс формирования сигналов управления синхронным электродвигателем на примере отработки электроприводом ступенчатого входного сигнала без нагрузки и с нагрузкой соответственно на его выходном звене, где:
График А - изменение положения и скорости выходного звена БМП и тока электродвигателя;
График Б - изменение входного и выходного сигналов управляемого генератора частоты;
График В - изменение сигнала на первом входе (огибающая) и выходе модулятора.
БМП содержит датчик положения выходного звена электропривода 1, редуктор 2, 2-фазный синхронный электродвигатель 3, силовой блок 4, сумматор 5, узел выделения модуля входного сигнала 6, дополнительный сумматор 7, математическую модель электродвигателя 8, датчик тока электродвигателя 9 и математическую модель ДПР, состоящую из управляемого 2-фазного генератора частоты 10, частотного 2-фазного модулятора 11 и узла реверса 12.
БМП работает следующим образом (фиг. 1).
з
ос
з
ос
з
ос
На суммирующий вход сумматора 5 поступает сигнал заданного положения выходного звена БМП ϕ, а на вычитающий вход сумматора 5 поступает сигнал обратной связи ϕ с датчика положения выходного звена электропривода 1. С выхода сумматора 5 сигнал ошибки, равный Δ=ϕ-ϕ,поступает на первый вход узла реверса 12 и на вход узла выделения модуля входного сигнала 6, с выхода которого модуль сигнала ошибки Δ поступает на первый вход модулятора 11 и через суммирующий вход дополнительного сумматора 7 на вход математической модели электродвигателя 8. Сигнал с выхода математической модели электродвигателя 8, являющийся заданной скоростью электродвигателя 3, поступает на вход управляемого генератора частоты 10. С выхода управляемого генератора частоты 10 2-фазный меандр постоянной амплитуды и частотой, пропорциональной выходному сигналу математической модели электродвигателя 8 (фиг. 2, 3 график Б), поступает на второй 2-фазный вход модулятора 11. 2-фазный выходной сигнал модулятора 11 через второй 2-фазный вход узла реверса 12 и силовой блок 4 поступает на фазные обмотки синхронного электродвигателя 3, обеспечивая через редуктор 2 перемещение выходного звена БМП со скоростью, заданной математической моделью электродвигателя 8. Поступающий на вычитающий вход дополнительного сумматора 7 выходной сигнал датчика тока 9 обеспечивает обратную связь по нагрузке на выходном звене БМП. В установившемся состоянии после окончания переходного процесса при отсутствии нагрузки на выходном звене электропривода входной сигнал управления отрабатывается без статической ошибки и ток электродвигателя равен нулю (фиг. 2, график А). При этом уменьшение скорости электродвигателя 3, при увеличении нагрузки на выходном звене БМП, приводит к увеличению тока электродвигателя 3, а значит и выходного сигнала датчика тока 9. Увеличение выходного сигнала датчика тока 9, поступающего на вычитающий вход дополнительного сумматора 7, уменьшает сигнал заданной скорости с выхода математической модели электродвигателя 8 и выходную частоту управляемого генератора 10. В установившемся состоянии после окончания переходного процесса при наличии нагрузки на выходном звене электропривода входной сигнал управления отрабатывается со статической ошибкой и ток электродвигателя не равен нулю (фиг. 3, график А). Таким образом, формируется на выходе модулятора 11 сигнал управления силовым блоком 4, представляющий собой переменное 2-фазное напряжение прямоугольной формы, частота которого пропорциональна сигналу заданной скорости с выхода математической модели электродвигателя 8, а амплитуда равна сигналу ошибки Δ=ϕ-ϕ, т.е. отклонению текущего положения выходного звена БМП от заданного положения (фиг. 2, 3 график В). Реверс синхронного электродвигателя 3 осуществляется путем смены двух фаз, поступающих на второй 2-фазный вход узла реверса 12 при изменении полярности сигнала Δ, поступающего на его первый вход. В случае использования 3-фазного синхронного электродвигателя 3 управляемый генератор частоты 10 должен формировать 3-фазное напряжение, поступающее на второй 3-фазный вход модулятора 11, а с его 3-фазного выхода третья фаза поступает на 3-фазный вход силового блока 4, минуя узел реверса 12. Штрихпунктирной линией показана третья фаза в случае использования 3-фазного синхронного электродвигателя.