УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в электроприводах с широким диапазоном регулирования скоростей вращения по управляющему воздействию, в подсистемах электродвигателя-маховика, привода вращения рамки подвеса в силовых гироскопических приборах космических аппаратов.
Известен способ управления электродвигателем, позволяющий использовать реактивный крутящий момент электродвигателя с внутренними постоянными магнитами [1]. Такой способ упрощает систему управления, но эффективен лишь при высоких частотах вращения. Снижение частоты сопровождается нарушением плавности вращения ротора.
Известны астатические системы электропривода с дискретным управлением ([2] с. 38-40 рис. 11). Астатическая система содержит блок регулирования тока двигателя, блок управления скоростью, вход которого подключен к источнику управляющего сигнала, а выход связан с одним из входов логического устройства сравнения, другой вход которого через делитель частоты подключен к выходу датчика положения ротора, причем выход устройства сравнения управляет ключевыми элементами силового преобразователя, к выходу которого подключена обмотка якоря двигателя. Такого рода электроприводы позволяют построить системы регулирования с нулевой ошибкой в статическом режиме, однако их эффективность подтверждается только при высоких частотах вращения. Это связано с необходимостью переноса частоты задания в область повышенной частоты . Однако построение бесконтактного датчика положения якоря с двумя подвижными элементами в составе гироскопического прибора не приемлемо.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является устройство для регулирования частоты вращения электродвигателя [3]. Содержащее блок управления скоростью, вход которого присоединен к источнику управляющего сигнала и датчику положения ротора и блок регулирования тока фаз двигателя, отличающееся тем, что для достижения широкого диапазона регулирования и плавного вращения в схему введен синусно-косинусный формирователь управляющего сигнала, на вход которого подается напряжение управления, а выходы соединены с входами умножителей, со входами которых соединены выходы синусно-косинусного формирователя опорной частоты, а выходы умножителей соединены с входами сумматоров, выходы которых соединены с входами формирователей импульсов, а его выход соединен с опорным входом импульсного частотно-фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом регулятора частоты вращения двигателя, а выход датчика положения ротора двигателя соединен с входами умножителей, входы которых соединены с выходами синусно-косинусного формирователя опорного сигнала, а выходы соединены с выходами сумматоров, выходы которых соединены с входами формирователя импульсов, выход которого соединен со вторым входом импульсного частотно-фазового дискриминатора.
Такое устройство реализует плавное вращение ротора при относительно низких частотах синусно-косинусного формирователя управляющих сигналов и его реверсивное вращение при изменении порядка чередования фаз. Однако, такое устройство характеризуется и рядом недостатков.
Во-первых, использование однополосной модуляции для преобразования аналоговых сигналов в импульсные сигналы высокой частоты в цепи формирования задающего сигнала и в цепи обратной связи неоправданно усложняет системы управления. Каждая из этих цепей включает по четыре умножителя и по два сумматора для получения сигнала ошибки на выходе фазового дискриминатора, что сопровождается снижением надежности.
Во-вторых, большое количество математических операций в цифровых системах управления сопровождается накоплением запаздывания в контуре регулирования и накопления вычисляемой ошибки регулирования, что приводит к ограничению быстродействия.
В-третьих, дискретное считывание информации о разности фаз по углу и обработка импульсной информации фазовым дискриминатором исключает возможность построения астатической системы регулирования с нулевой ошибкой в статическом режиме.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение надежности устройства в целом, точности и быстродействия системы регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя.
Устройство, реализующее регулирование и стабилизацию частоты вращения бесконтактного двигателя постоянного тока представлено на фиг. 1, 2, 3, а на фиг. 4-6 приведены временные диаграммы, поясняющие его принцип работы.
Устройство для регулирования частоты вращения (фиг. 1) бесконтактного двигателя постоянного тока 1, с двумя фазными обмотками 2, ротор 3 которого связан с синусно-косинусным датчиком положения ротора 4, содержит двухфазный преобразователь частоты 5, выходы которого подключены к фазным обмоткам, двухвходовые умножители 6, 7 и первый и второй сумматоры 8, 9, синусно-косинусный формирователь управляющих сигналов 10, 11. Устройство также снабжено пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором 12 и широтно-импульсным модулятором 13, входы которого соединены с выходами синусно-косинусного формирователя управляющих сигналов 10, 11, выходы подключены к входам двухфазного преобразователя частоты, а выходы синусно-косинусного датчика положения ротора 4 соединены с объединенными входами умножителей 6, 7, выходы которых подключены к входам первого сумматора 8, выход которого связан с одним из входов второго сумматора 9, другой вход которого образует управляющий вход устройства, а выход через пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 12 подключен к входам синусно-косинусного формирователя управляющих сигналов 10, 11.
Широтно-импульсный модулятор 13 (фиг. 2) выполнен в виде задающего генератора 14, выход которого связан с входами двух генераторов 15,16 треугольных развертывающих напряжений, фазы выходных напряжений которых смещены друг относительно друга на 180 электрических градусов и четырех компараторов 17, 18, 19, 20, прямые и инверсные выходы которых образуют выходы широтно-импульсного модулятора, а выходы каждого генератора треугольного развертывающего напряжения 15, 16 подключены к одним из входов двух компараторов 17, 18 и 19, 20 соответственно, другие входы каждой пары компараторов объединены и образуют два управляющих входа модулятора.
Выходы компараторов 17-20 широтно-импульсного модулятора 13 осуществляют управление двухфазным преобразователем частоты 5 посредством сигналов К1-К8.
Двухфазный преобразователь частоты 5 (фиг. 3) выполнен в виде двух однофазных мостовых инверторов на транзисторах 21-24 и 25-28 соответственно, входные зажимы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а выходы предназначены для подключения обмоток 2 бесконтактного двигателя постоянного тока 1, управляющие входы транзисторов 21, 22 и 25, 26 одной из инверторных стоек каждого инвертора подключены к прямому и инверсному выходам одной пары компараторов широтно-импульсного модулятора 13, а прямой и инверсный выходы второй пары компараторов подключены к управляющим входам транзисторов 23, 24 и 27, 28 второй инверторной стойки.
На фиг. 4-6 обозначено: 29-импуьсная последовательность задающего генератора; 30-треугольное развертывающее напряжение; 31-смещенное по фазе треугольное развертывающее напряжение; 32, 38, 44 - первый, второй и третий уровни напряжения на управляющем входе широтно-импульсного модулятора; 33 (39, 45), 34 (40, 46) - напряжение на прямых выводах компараторов; 35 (41, 47), 36 (42, 48) - напряжение на инверсных выводах компараторов; 37, 43, 49 - выходное напряжение инвертора при различных уровнях управляющего напряжения на управляющем входе широтно-импульсного модулятора.
Устройство работает следующим образом.
у
з
з
На вход сумматора 9 подается напряжение управления 11 являющееся заданием на частоту вращения ротора 3 двигателя 1. На второй вход этого сумматора подается постоянное выходное напряжение сумматора 8 с отрицательным знаком. Напряжение на выходе сумматора 9 поступает на вход пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора 12 и представляет собой сигнал ошибки регулирования по частоте вращения ротора 3. Скорректированный сигнал ошибки поступает на вход синусно-косинусного формирователя управляющих сигналов 10, 11. Формирователь 10, 11 преобразует напряжение сигнала ошибки в два низкочастотных сигнала sinΩt и cosΩt, мгновенныtе значения частоты которых определяются в соответствии с выражением
и являются заданием по углу поворота ротора.
m
з
m
з
Эти сигналы поступают на управляющие входы широтно-импульсного модулятора 13, которые преобразуют их в сигналы управления транзисторами двухфазного преобразователя частоты 5. На статорных обмотках 2 двигателя 1 действуют напряжения длительность импульсов которых изменяется пропорционально низкочастотным сигналам и в этих обмотках протекают токи Isin(Ωt+ψ) и Icos(Ωt+ψ). При вращении
ДПР1
m
вр
ДПР1
m
вр
ротора в установившемся режиме на выходах синусно-косинусного датчика положения ротора 4 действуют напряжения U=UsinΩt и U=UcosΩt. Эти напряжения поступают на попарно объединенные входы умножителей, на выходах которых действуют напряжения:
1
m
вр
m
вр
2
U=UsinΩt=U(0,5-0,5cos2Ωt);
2
m
вр
m
вр
2
U=UcosΩt=U(0,5+0,5cos2Ωt).
1
2
Напряжения U, U, в свою очередь поступающие на входы первого сумматора 8, преобразуются в постоянное напряжение
Σ
m
вр
вр
m
U=U(0,5-0,5cos2Ωt+0,5+0,5cos2Ωt)=U,
вр
У
Σ
которое является напряжением обратной связи, а его величина пропорциональна текущему значению частоты вращения ротора Ω. Астатизм системы регулирования достигается в устройстве интегральной составляющей пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора разностного сигнала ошибки регулирования U-U.
з
з
Работу широтно-импульсного модулятора 13 и инверторов двухфазного преобразователя частоты 5 поясняют временные диаграммы на фиг. 4-6. Выходные импульсы 29 задающего генератора синхронизируют работу генераторов треугольных развертывающих напряжений 15, 16 так, что на их выходах и на одних из входов компараторов 17, 19 и 18, 20 действуют напряжения 30, 31, фазы которых смещены друг относительно друга на 180 электрических градусов. На вторые объединенные входы компараторов 17, 18 и 19, 20 подается низкочастотный сигнал sinΩt или cosΩt, сформированный из скорректированного сигнала ошибки регулирования. Рассмотрим три режима работы инверторов.
Пусть на рассматриваемом интервале времени (фиг. 4) действующий постоянный сигнал, соответствует уровню напряжения 32, тогда на прямых выходах компараторов будут действовать импульсные последовательности 33 и 34, а на инверсных выходах импульсные последовательности 35, 36 соответственно. Условимся, что низкий (нулевой) уровень этих последовательностей соответствует выключенному состоянию транзисторов 21-28, а высокий уровень - включенному состоянию. При таком алгоритме проводящего состояния транзисторов: 23, 21 - 21, 24 - 24, 22 - 24, 21 - 21, 23 - на выходе инвертора будет действовать напряжение 37 положительной полярности.
Если уровень сигнала управления соответствует уровню 38 (фиг. 5), то на управляющие входы транзисторов будут поступать импульсные последовательности 39, 40 и инверсные им 41, 42. При этом одновременно будут включены транзисторы 21, 23 (25, 27) или транзисторы 22, 24 (26, 28). Выходное напряжение инвертора при этом равно нулю 43, поскольку фазные обмотки 2 будут закорочены, либо верхними ключами инвертора, либо нижними.
Если уровень сигнала управления соответствует уровню 44 (фиг.6), тогда на прямых выходах компараторов 19, 20 будет действовать импульсные последовательности 45 и 46, а на инверсных выходах импульсные последовательности 47, 48 соответственно. При таком алгоритме проводящего состояния транзисторов: 21, 23 - 23, 22 - 22, 24 - 22, 23 - 21, 23 - на выходе инвертора будет действовать напряжение отрицательной полярности 49.
з
з
m
з
m
з
В устройстве для регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя постоянного тока на управляющие входы широтно-импульсного модулятора 13 поступают низкочастотные сигналы sinΩt и cosΩt, которые и определяют выходные напряжения инверторов двухфазного преобразователя частоты 5 положительной и отрицательной полярности в соответствии с рассмотренным алгоритмом формирования выходного напряжения (фиг. 4-6). В обмотках 2 двигателя 1 будут протекать токи Isin(Ωt+ψ) и Icos(Ωt+ψ).
з
з
з
з
Полученная замкнутая система регулирования по мгновенному значению частоты вращения является астатической, за счет интегральной составляющей на выходе пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, а регулирование угла поворота достигается фиксированием мгновенных значений низкочастотных сигналов управления sinΩt и cosΩt, так, чтобы в фазных обмотках протекали постоянные токи необходимого уровня. Изменение направления вращения достигается изменением порядка чередования фаз на выходе синусно-косинусного формирователя управляющих сигналов 10, 11 (cosΩt, sinΩt).
Исключение из системы управления избыточного количества умножителей и сумматоров, реализующих функции однополосной модуляции позволяет повысить надежность системы. Снижение запаздывания и накопления вычисляемой ошибки регулирования позволило увеличить точность и быстродействие системы регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя.
Источники информации:
1. Пат. 2414047 DK, МПК H02P 6/08. Способ и управляющее устройство для управления электродвигателем с внутренними постоянными магнитами / П.С. Андерсен, К. Ротман, Н. Педерсен; заявл. 17.02.10; опубл. 10.03.11, Бюл. №7. - 12 с.
2. Пат. 2291552 РФ, МПК H02P 6/08. Устройство для регулирования частоты вращения электродвигателя / Ю.Е. Муравяткин, С.В. Редькин, А.С. Авдиевич; заявл. 09.11.04; опубл. 10.01.07, Бюл. №1. - 6 с.
3. Трахтенберг Р.М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 168 с.