МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к автоматизированным системам регулирования с цифровым управлением.
Полезная модель может быть использована при построении многоканальных систем управления магнитным подвесом для роторных машин.
Известна система управления электромагнитным подвесом ротора, описанная в патенте РФ №2181922 «Система управления электромагнитным подвесом ротора» кл. Н 02 Р 6/16, опубл. 27.04.2002 г., Бюл. №12, технический результат которой заключается в упрощении технической реализации системы управления электромагнитным подвесом ротора. Структура вышеназванной системы отличается, как указано, от стандартной упрощением обращенной модели электромагнита.
Основным недостатком указанной системы является отсутствие звена компенсации отрицательного тяжения в электромагнитах, что устранено увеличением пропорциональной составляющей регулятора. Однако, это сужает области стабильной работы системы при смещениях ротора из центрального положения. Удовлетворительной стабилизации работы системы магнитного подвеса для реальных роторных машин можно добиться лишь применением полной обращенной модели электромагнита, что осуществимо проще всего при применении цифровых контроллеров в системе управления. Возможность реализации такой структуры на цифровом контроллере упомянута, но не раскрыта.
Наиболее близким к заявляемому многоканальному цифровому регулятору по техническому решению является цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора, описанный в патенте РФ №2181903 «Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора», кл. G 05 В 11/26, опубл. 27.04.2002 г. Бюл. №12. Цифровой регулятор содержит пять регистров, пять сумматоров, мультиплексор с запоминанием, блоки с ограничением, триггер знака, генераторы прямоугольных импульсов, блок синхронизации. Регулятор реализован на дискретных логических элементах и позволяет формировать алгоритм управления для одного из каналов системы магнитного подвеса.
Основным недостатком этого регулятора является то, что он не может быть реализован для построения многоканального регулятора из отдельных каналов для цифровой системы управления магнитным подвесом реальных роторных систем, например, газовых компрессоров с общей нагрузкой на ротор более нескольких десятков килограмм, так как в системах магнитного подвеса большой мощности генерируются помехи на фронтах переключения мощных сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ-сигналов), нарушающие работу цифровой аппаратуры. Значения напряжений этих помех достигают (в современных системах магнитного подвеса крупных роторных машин) величин нескольких сотен (и до нескольких тысяч) вольт и
скорость нарастания токов - до сотен ампер в микросекунду. В цифровых системах регулирования такие помехи могут полностью нарушить работу системы, так как они могут совпасть с моментами считывания входными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) цифрового контроллера входных значений положения ротора и токов электромагнитов. Кроме того, такие помехи могут привести к сбоям в работе самих управляющих контроллеров и нарушениям работы цифрового генератора датчиков положения ротора.
Необходимо отметить, что синхронизация работы тактовых генераторов отдельных контроллеров, или работа их от общего тактового генератора не решает проблемы, т.к. в случае случайного кратковременного сбоя одного из контроллеров с последующим его восстановлением синфазность работы всех контроллеров будет нарушена.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно, - исключение влияния помех на фронтах переключения мощных ШИМ-сигналов, нарушающих работу цифровой аппаратуры.
Поставленная задача достигается тем, что в многоканальном цифровом регуляторе для системы управления электромагнитным подвесом ротора, содержащем блок нормирования сигналов датчиков положения ротора, генератор питания датчиков положения ротора, блоки усилителей мощности и цифровые контроллеры с формированием ШИМ-сигналов для управления блоками усилителей мощности, в состав каждого цифрового контроллера включен блок расчета алгоритма управления с возможностью управления циклограммой работы всех устройств системы путем формирования совокупности сигналов, исключающих возможность работы цифровых устройств системы в моменты переключения ШИМ-сигналов.
На фигуре 1 схематично изображен один канал многоканального цифрового регулятора для системы управления электромагнитным подвесом
ротора, пунктирной линией показано возможное подключение других аналогичных каналов.
На фигуре 2 показана временная циклограмма работы системы управления электромагнитным подвесом ротора.
Заявляемый многоканальный цифровой регулятор, в общем случае, имеет пять каналов управления, в том числе один ведущий канал. Цифровой регулятор содержит блок 1 нормирования сигналов датчиков положения ротора и генератор 2 питания датчиков положения ротора, образующие устройство измерения положения ротора с выходным сигналом, согласованным с сигналом блока 3 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) цифрового контроллера 11 каждого канала многоканального цифрового регулятора.
Цифровой регулятор каждого канала имеет два тракта прохождения сигналов. Тракт основного сигнала регулирования обозначен тонкими сплошными линиями с указанием направления передачи сигналов. Тракт дополнительных сигналов формирования циклограммы работы всех блоков регулятора обозначен широкой двойной линией со стрелками, указывающими направление передачи сигналов по соответствующей шине (фиг.1).
Выход блока 1 нормирования сигналов датчика положения ротора соединен непосредственно со входом блока 3 аналого-цифрового преобразователя контроллера канала, а выход блока 3 соединен со входом блока 4 расчета алгоритма управления. Выход блока 4 соединен с двумя блоками 5 и 6 формирования ШИМ-сигналов управления усилителями мощности 7 и 8 верхнего и нижнего электромагнитов канала, причем блоки 5 и 6 воспринимают взаимно инвертированные сигналы блока 4.
Выход блоков 5 и 6 соединен со входом блоков 7 и 8 усилителей мощности, а на выходы блоков 7 и 8 включены блоки 9 и 10 датчиков тока, выходы которых соединены с дополнительными входами блока 1.
Вычисление параметров выходных сигналов производится блоком 4 расчета алгоритма управления, выходные сигналы которого передаются на блоки 5 и 6 формирования ШИМ-сигналов управления усилителями мощности 7 и 8 верхнего и нижнего электромагнитов канала. Сигналы, пропорциональные токам электромагнитов, формируются в блоках 9 и 10 датчиков тока верхнего и нижнего каналов и подаются также на вход блока 3 аналого-цифрового преобразователя цифрового контроллера 11. Блок 4 расчета алгоритма управления формирует не только сигналы управления токами электромагнитов, но и последовательность управляющих сигналов для всех сопряженных с ним устройств. Последовательность управляющих сигналов образует временную циклограмму I работы системы управления электромагнитным подвесом ротора (фиг.2). На фигуре 2 показана временная циклограмма работы системы управления электромагнитным подвесом ротора, на которой:
ρwm
T -период ШИМ-сигналов;
1
T - период импульсов управления генератором питания датчиков;
2
Т - период импульсов управления внешней силовой частью питания системы;
n, m - целые числа.
а - сигнал запуска АЦП всех контроллеров системы (начало рабочего такта);
b - окончание считывания входных сигналов блоками АЦП (фиксированная величина, определяется заданной скоростью работы АЦП);
с - сигнал запуска такта ШИМ-сигнала;
d - сигнал начала расчета требуемых по алгоритму токов электромагнитов;
е - окончание расчета, фиксированная величина, определяется скоростью работы управляющего контроллера.
h - окончание такта.
В процессе расчета требуемых токов электромагнитов цифровой контроллер вырабатывает два сигнала:
f - минимальное значение расчетного времени открытия ШИМ-сигнала;
g - максимальное значение расчетного времени открытия ТТТИМ-сигнала.
При выполнении такой циклограммы цифровой контроллер формирует четыре жестко фиксированных интервала времени (b...c, c...d, e...f и g...h), разделяющих процессы считывания значений перемещений и токов канала (интервалы b...c и g....h) и вычисления требуемых значений токов с процессами открытия и закрытия ШИМ-сигналов усилителей мощности (интервалы c...d и e...f) для всей системы магнитного подвеса. Благодаря этому, процессы, чувствительные к внешним помехам, происходят всегда в интервалах времени, свободных от помех, что обеспечивает точность измерения входных сигналов контроллера и работу его без сбоев и ошибок.
Дополнительно цифровой контроллер вырабатывает сигнал II с частотой, кратной частоте повторения тактов ШИМ, для управления генератором питания датчиков положения ротора с целью устранения погрешностей, вызываемых изменением фазы напряжения генератора относительно момента начала работы АЦП.
При питании элементов системы управления магнитным подвесом ротора от мощного импульсного источника для управления им используется сигнал III с требуемой частотой, аналогичной по организации сигналу II (фиг.2).
В случае применения в системе управления магнитным подвесом ротора отдельных цифровых контроллеров для каждого канала регулирования, управление циклограммой их работы производится аналогично, по внешней шине управляющих сигналов, вырабатываемых ведущим цифровым контроллером. При наличии общего цифрового контроллера для всех каналов системы управления магнитным подвесом ротора, управляющие сигналы передаются по внутренней магистрали цифрового контроллера.
Заявляемый многоканальный цифровой регулятор для системы управления 'электромагнитным подвесом ротора позволяет на практике реализовать принцип цифрового управления для систем магнитного подвеса роторов крупных роторных машин с массой ротора до нескольких тонн путем устранения помех от ШИМ-сигналов блоков усилителей мощности.
Заявляемый многоканальный цифровой регулятор успешно прошел приемочные испытания, установлен и работает на компрессорной станции КС-23 А 000 «Самаратрансгаз» ОАО «Газпром» (г. Сызрань), «Цифровая аппаратура управления магнитными подшипниками роторных машин», Газотурбинные технологии, №5 (26), 2003, стр. 38-41.