ВЫЧИСЛИТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к вычислительной технике, в которой вычислительные операции выполняются путем изменения электрических величин с использованием операционных усилителей, производящих операции сложения, умножения и интегрирования, и на выходе формируется сигнал магнитного потока, предназначенный для подачи, в частности, в систему управления радиальным магнитным подшипником с шихтованным ротором.
Известен вычислитель магнитного потока с двумя операционными усилителями, выход которого подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора системы управления, описанный в патенте на полезную модель «Электропривод с синхронным двигателем» (патент РФ №553948, H02P 5/34, опубликованном 05.04.77 г., бюл. 13). Вычислитель содержит два устройства поворота вектора, дифференциальные усилители, блоки умножения, суммирующий усилитель, регулируемый резистор, пороговый диод, регулируемый делитель напряжения, резисторы с величиной сопротивления R2d, R2g; R1g R1d, конденсаторы с емкостями Cd и Cg, устройство поворота вектора, выходы гармонических функций sinβ и cosβ, вход тока возбуждения обмотки ротора, входы для двухфазных истинных токов статора двигателя, входы гармонических функций sinβ и cosβ. При этом один из выходов упомянутого вычислителя формирует величину магнитного потока, который подается на вход регулятора магнитного потока электропривода с синхронным двигателем.
Недостатком указанного вычислителя магнитного потока является невозможность его применения для вычисления магнитного потока в магнитных подшипниках с ротором, отклоняющимся от своего центрального положения, в частности, в радиальных магнитных подшипниках с шихтованным ротором.
Известно устройство для коррекции смещения магнитного потока для вращающейся электрической машины, описанное в заявке RU 2011138033 (заявка RU №2011138033, 15.09.2011, конвенционный приоритет 16.09.2010 EP 10176976.8, H02P 21/00, опубликованная 20.03.2013, бюл. №8). Для выполнения способа заявлено устройство, которое содержит программный элемент для расчета магнитного потока во вращающейся электрической машине. Данный элемент рассчитывает магнитный поток.
Недостатком данного элемента является его программная реализация на контроллере и, как следствие, необходимость применения программного обеспечения и наличия компьютерного оборудования.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленной полезной модели, является наблюдатель (вычислитель) магнитного потока, математическая модель которого с учетом влияния полей рассеяния и ее структура приведены в статье «Управление электромагнитными подшипниками с обратной связью по магнитному потоку» (Верещагин В.П., Клабуков В.А., Рогоза А.В. Управление электромагнитными подшипниками с обратной связью по магнитному потоку // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - М. Т-131. №6. 2012, с. 3-4, рис. 4).
0
m0
0
0
m0
m
a
Указанный наблюдатель (вычислитель) магнитного потока может быть применен для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором и в соответствии со схемой, приведенной в указанной статье, содержит три входа для приема входных сигналов: с датчиков тока (I) и напряжения (U) электромагнита статора; с датчика положения ротора (y), а также содержит выход, на котором формируется вычисленный сигнал магнитного потока, при этом на каждом из входов установлен усилитель с соответствующим коэффициентом: 1/Im, 1/U и 1/, переводящий абсолютные значения входных сигналов (I), (U) и (y) в соответствующие относительные (I′), (U′) и (y′). Кроме того, наблюдатель (вычислитель) магнитного потока содержит первый сумматор с двумя входами, на входы которого поступают сигналы I′ и , а на выходе формируется сигнал , второй сумматор с тремя входами, на входы которого поступают сигналы с усилителей с коэффициентами передачи 1/L, R/L и  U/ψ, интегратор, умножитель входных сигналов, третий сумматор с двумя входами, на входы которого поступают сигналы  и , а на выходе формируется сигнал , усилитель, переводящий относительное значение сигнала магнитного потока в абсолютное, с коэффициентом передачи у/т определенным по формуле:
,
a
где:  - зазор между статором и ротором при центральном положении ротора;
0
L - индуктивность электромагнита статора при центральном положении ротора;
m
F - максимальное тяговое усилие электромагнита статора.
obs
0
m0
m
m0
1
0
m
obs
m
a
Вход первого сумматора соединен с выходом усилителя, переводящего абсолютное значение входного сигнала с датчика тока (I) в относительное (I′) второй вход первого сумматора подключен к выходу третьего сумматора с двумя входами, выход первого сумматора через последовательно соединенные усилители с коэффициентами передачи k и 1/L связан с входом второго сумматора с тремя входами; третий вход второго сумматора подключен к выходу усилителя с коэффициентом передачи U/ψ, вход которого подключен к выходу усилителя с коэффициентом передачи 1/U, переводящего абсолютное значение входного сигнала с датчика напряжения (U) в относительное (U′). Выход третьего сумматора с двумя входами связан через звено обнуления ошибки интегратора с передаточной функцией (Ts+1)/(τs+1) и усилитель с коэффициентом передачи R/L со вторым входом сумматора, при этом поступивший на второй вход сумматора сигнал умножается на коэффициент -1. Выход усилителя с коэффициентом 1/, переводящего абсолютное значение поступившего на вход наблюдателя (вычислителя) сигнала с датчика положения ротора (y) в относительное (y′), подключен к входу умножителя входных сигналов, выход которого подключен к отрицательному входу третьего сумматора с двумя входами. Выход второго сумматора с тремя входами подключен к интегратору, на выходе которого формируется сигнал относительного значения магнитного потока , подаваемый на вход третьего сумматора с двумя входами, на вход умножителя входных сигналов и на вход усилителя с коэффициентом передачи ψ, переводящим относительное значение сигнала магнитного потока  в абсолютное ψ. На выходе усилителя с коэффициентом передачи ψ формируется вычисленный выходной сигнал наблюдателя (вычислителя) магнитного потока.
Недостатками такого вычислителя магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором является сложная структурная схема, содержащая блок обнуления ошибки интегратора и множество усилителей, требующая реализации вычислителя на контроллере и, как следствие, применение программного обеспечения и наличия компьютерного оборудования.
Задача, на которую направлена полезная модель, является снижение стоимости изготовления вычислителя магнитного потока путем аппаратной реализации устройства.
Техническим результатом заявленной полезной модели является аппаратная реализация вычислителя магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором в виде набора стандартных общеизвестных устройств при сохранении на выходе сигнала с высокой степенью точности за счет упрощения схемы вычислителя путем исключения блока обнуления ошибки интегратора и элементов, переводящих абсолютные значения входных сигналов в относительные, а также за счет введения новых элементов и связей.
obs
obs
m
Технический результат полезной модели достигается тем, что в вычислителе магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором, содержащем три входа: первый вход, предназначенный для приема сигнала с датчика положения ротора; второй вход, предназначенный для приема сигнала с датчика тока катушки электромагнита статора; третий вход, предназначенный для приема сигнала с датчика напряжения катушки электромагнита статора, а также выход, на котором формируется вычисленный сигнал магнитного потока, первый сумматор с двумя входами, второй сумматор с тремя входами, интегратор, при этом выход второго сумматора подключен к входу интегратора, согласно полезной модели, вычислитель магнитного потока снабжен инвертором, вычислителем заданной функции, дифференциальным фильтром, вход которого связан с первым входом вычислителя магнитного потока или является первым входом вычислителя магнитного потока для приема сигнала с датчика положения ротора, причем выход дифференциального фильтра подключен к входу вычислителя заданной функции, выход которого подключен к входу первого сумматора, имеющего коэффициент передачи k, где k - коэффициент усиления вычислителя магнитного потока, и входу второго сумматора, выполненного с коэффициентом передачи R в отношении сигнала, поступающего с выхода вычислителя заданной функции, где R - сопротивление катушки электромагнита, второй вход первого сумматора связан со вторым входом вычислителя магнитного потока или является вторым входом вычислителя магнитного потока для приема сигнала с датчика тока, выход первого сумматора подключен к входу второго сумматора, при этом второй сумматор выполнен инвертирующим и его третий вход связан с третьим входом вычислителя магнитного потока или является третьим входом вычислителя магнитного потока для приема сигнала с датчика напряжения, причем интегратор выполнен с коэффициентом трансформации - ψ, выход интегратора, предназначенный для формирования вычисленного сигнала магнитного потока, связан с выходом вычислителя магнитного потока или является выходом вычислителя магнитного потока, при этом к выходу интегратора подключен вход инвертора, выход которого подключен к входу вычислителя заданной функции, реализующего функцию , где
y - отклонение ротора от центрального положения;
a
- зазор между статором и ротором при центральном положении ротора;
obs
ψ - магнитный поток электромагнита, вычисленный вычислителем магнитного потока;
0
L - индуктивность катушки электромагнита статора при центральном положении ротора.
Снабжение вычислителя магнитного потока инвертором и вычислителем заданной функции и исключение звена обнуления ошибки интегратора позволило заменить ряд элементов, требующих программного обеспечения, на элементы, реализованные аппаратно в виде общеизвестных микросхем, резисторов, конденсаторов, что значительно упростило аппаратную реализацию при сохранении качества сигнала.
Наличие дифференциального фильтра, вход которого связан с входом вычислителя магнитного потока или является первым входом вычислителя магнитного потока для приема сигнала с датчика положения ротора, и подключение выхода дифференциального фильтра к входу вычислителя заданной функции позволило получить на входе в вычислитель заданной функции чистый сигнал, исключив помехи, наведенные в сигнале, поступившем с датчика положения ротора, вследствие наличия протяженных связей между вычислителем магнитного потока, предназначенным для установки в шкафу управления подшипником, и датчиком положения ротора, устанавливаемым вблизи ротора.
Кроме того, снабжение вычислителя магнитного потока вычислителем, реализующим функцию , и подключение его выхода к входу первого сумматора и входу второго сумматора, выполненного с коэффициентом передачи R в отношении сигнала, поступающего с выхода вычислителя заданной функции, позволило подключить напрямую выход первого сумматора к входу второго сумматора, тем самым исключить дополнительные элементы.
Выполнение второго сумматора инвертирующим, третий вход которого связан с третьим входом вычислителя магнитного потока или является третьим входом вычислителя магнитного потока для приема сигнала с датчика напряжения, упростило выполнение реализации операции суммирования и позволило произвести аппаратную реализацию вычислителя магнитного потока.
m
m
Выполнение интегратора с коэффициентом трансформации -ψ, позволило упростить (сделать более доступной) аппаратную реализацию операции интегрирования, связать выход интегратора с выходом вычислителя магнитного потока или выполнить в виде выхода вычислителя магнитного потока без включения дополнительного усилителя с коэффициентом ψ.
Снабжение вычислителя магнитного потока инвертором, вход которого подключен к выходу интегратора, а выход инвертора подключен к входу вычислителя функции, позволило упростить выполнение операций, выполняемых вычислителем заданной функции, таким образом, что их стало возможно выполнить аппаратно.
Система уравнений, которая используется для вычисления магнитного потока, имеет вид:
где
- скорость магнитного потока электромагнита статора, полученная вычислителем магнитного потока;
U - напряжение на электромагните;
R - сопротивление катушки электромагнита;
obs
I - ток, протекающий в электромагните, полученный вычислителем магнитного потока;
- скорость тока, протекающего в электромагните, полученная вычислителем магнитного потока;
1
L - индуктивность рассеяния электромагнита;
obs
k - коэффициент усиления вычислителя магнитного потока;
I - ток, протекающий в электромагните, полученный датчиком тока;
pbs
ψ - магнитный поток электромагнита, вычисленный вычислителем магнитного потока;
0
L - индуктивность электромагнита при центральном положении ротора магнитного подшипника;
y - отклонение ротора от центрального положения;
a
- зазор между статором и ротором при центральном положении ротора.
Вследствие того, что поля рассеяния при использовании шихтованного ротора малы, и индуктивностью рассеяния можно пренебречь, то с целью упрощения аппаратной реализации система дифференциальных уравнений имеет вид:
obs
Выражая I из второго уравнения системы (2) имеем:
obs
Подставляя в первое уравнение системы (2) вместо I правую часть формулы (3) получаем формулу:
После интегрирования формулы (4) получаем уравнение вычислителя магнитного потока:
Заявленная полезная модель вычислителя магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором позволяет реализовать уравнение (5) аппаратно.
На фигуре представлена функциональная схема вычислителя магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором.
obs
m
Вычислитель магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором включает три входа: вход 1, предназначенный для приема сигнала с датчика положения ротора (на схеме не показан); вход 2, предназначенный для приема сигнала с датчика тока электромагнита статора (на схеме не показаны); вход 3, предназначенный для приема сигнала с датчика напряжения электромагнита (на схеме не показан), а также выход 4, на котором формируется сигнал магнитного потока, дифференциальный фильтр 5, вычислитель 6 заданной функции, первый сумматор 7 с двумя входами, имеющий коэффициент передачи k, второй инвертирующий сумматор 8 с тремя входами, инвертирующий интегратор 9 с коэффициентом трансформации -ψ, инвертор 10.
Вычислитель магнитного потока может быть выполнен с входами 1, 2, 3, которые являются соответственно входом дифференциального фильтра 5, входом первого сумматора 7, входом второго сумматора 8. Выход 4 в этом случае является выходом интегратора 9.
Вычислитель 6 заданной функции реализует функцию , где
y - отклонение ротора от центрального положения;
a
- зазор между статором и ротором при центральном положении ротора;
obs
ψ - магнитный поток электромагнита, вычисленный вычислителем магнитного потока;
0
L - индуктивность катушки электромагнита статора при центральном положении ротора.
Второй сумматор 8 с тремя входами выполнен инвертирующим с коэффициентом передачи R, в отношении сигнала, поступающего с выхода вычислителя 6 заданной функции.
a
Вход дифференциального фильтра 5 связан с входом 1 вычислителя магнитного потока или является входом 1 вычислителя магнитного потока для приема сигнала y/ с датчика положения ротора. Выход дифференциального фильтра 5 подключен к входу вычислителя 6 заданной функции. Выход вычислителя 6 заданной функции подключен к входу первого сумматора 7 и входу второго сумматора 8.
Второй вход первого сумматора 7 связан с входом 2 вычислителя магнитного потока или является входом 2 вычислителя магнитного потока для приема сигнала (I′) с датчика тока. Выход первого сумматора 7 подключен к входу второго инвертирующего сумматора 8 с тремя входами, выход которого подключен к входу инвертирующего интегратора 9.
Третий вход второго сумматора 8 связан с входом 3 вычислителя магнитного потока или является входом 3 вычислителя магнитного потока для приема сигнала (U) с датчика напряжения.
Выход интегратора 9 связан с выходом 4 вычислителя магнитного потока или является выходом 4 вычислителя магнитного потока, при этом к выходу интегратора 9 подключен вход инвертора 10, выход которого подключен к входу вычислителя 6 заданной функции.
Дифференциальный фильтр 5, может быть реализован на базе микросхемы AD620ARZ.
Вычислитель 6 заданной функции может быть реализован на базе микросхемы MPU634KU.
0
obs
m
Первый сумматор 7, второй сумматор 8, интегратор 9 и инвертор 10 могут быть реализованы на базе микросхемы AD822ARZ. Для установки необходимых операций (сложения, интегрирования) используются общеизвестные схемы обвязки операционных усилителей. Коэффициенты (R, L, k, ψ) в этих операциях устанавливаются с помощью резисторов и конденсаторов.
Вычислитель магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором работает следующим образом.
a
a
a
obs
С датчика положения ротора на вход 1, который является входом дифференциального фильтра 5, поступает относительный сигнал положения ротора y/. На дифференциальном фильтре 5 помехи, наведенные в сигнале y/ вследствие протяженности связей, удаляются, и сигнал у/ поступает на вход вычислителя 6. Также на вход вычислителя 6 поступает отрицательный сигнал магнитного потока -ψ с инвертора 10. На вычислителе 6 производится функция  и формируется соответствующий сигнал, который поступает на вход первого сумматора 7 и вход второго инвертирующего сумматора 8.
obs
При этом на второй вход первого сумматора 7, имеющего коэффициент передачи k, с входа 2 вычислителя магнитного потока поступает сигнал (I′) с датчика тока электромагнита статора. На первом сумматоре 2 реализуется функция  и на выходе формируется соответствующий ей сигнал, который поступает на второй вход второго сумматора 8.
На третий вход второго сумматора 8 с входа 3 вычислителя магнитного потока поступает сигнал (U) с датчика напряжения электромагнита. Так как второй сумматор 8 с тремя входами выполнен инвертирующим и с коэффициентом передачи R в отношении сигнала, поступающего с выхода вычислителя 6 заданной функции, то на сумматоре 8 реализуется функция:
m
и формируется соответствующий ей сигнал, который поступает на вход инвертирующего интегратора 9 с коэффициентом трансформации -ψ.
На интеграторе 9 вычисляется сигнал магнитного потока, соответствующий формуле 5, который поступает на выход 4 вычислителя магнитного потока и на вход инвертора 10.
Выполнение вычислителя магнитного потока с тремя входами 1, 2, 3, где вход 1 связан с входом дифференциального фильтра 5, вход 2 - с входом первого сумматора 7, вход 3 - с входом второго сумматора 8, а выход 4 связан с выходом интегратора 9 применяется в случае, если предполагается возможность замены вычислителя магнитного потока в процессе эксплуатации. В случае установки вычислителя магнитного потока без последующей его замены возможно выполнение вычислителя магнитного потока, где вход 1 является входом дифференциального фильтра 5, ход 2 - входом первого сумматора, вход 3 - входом второго сумматора, выход 4 - выходом интегратора 9. При этом в том и другом случае указанные признаки в совокупности с другими заявленными существенными признаками вычислителя магнитного потока обеспечивают аппаратную реализацию вычислителя.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет обеспечить аппаратную реализацию вычислителя магнитного потока для радиального магнитного подшипника с шихтованным ротором в виде набора стандартных общеизвестных устройств при сохранении на выходе сигнала с высокой степенью точности, что приводит к снижению стоимости его изготовления.