СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА
CONTROL SYSTEM FOR ROTOR ELECTRO-MAGNET SUSPENSION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах.
Наиболее близкой по технической сущности является система управления электромагнитным подвесом ротора (см. патент Российской Федерации №2181922, опубл. 27.04.2002, бюл. №12), в котором каждый канал системы управления содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, форсирующий регулятор второго порядка, силовой преобразователь и два электромагнита.
Недостатком наиболее близкой системы управления электромагнитным подвесом ротора является ее низкое быстродействие и, как следствие, большие динамические провалы при приложении переменной нагрузки.
Сущность изобретения заключается в том, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал управления которой содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, причем выход датчика положения ротора соединен с инверсным входом интегрального регулятора, а обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, каждый канал снабжен пропорциональным регулятором, дифференцирующим звеном и пропорционально-дифференциальным регулятором, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом пропорционального регулятора, выход датчика положения ротора соединен с дифференцирующим звеном и инверсным входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход дифференцирующего звена соединен с инверсным входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого соединен с входом силового преобразователя.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить быстродействие и динамическую точность системы управления электромагнитным подвесом ротора.
На фиг.1 представлена функциональная схема каждого канала системы управления электромагнитным подвесом ротора; на фиг.2 изображено подключение обмоток электромагнитов к силовому преобразователю; на фиг.3 представлена структурная схема одного канала системы управления электромагнитным подвесом ротора; на фиг.4 приведены графики переходных процессов в системе управления электромагнитным подвесом ротора.
Каждый канал системы управления (фиг.1) содержит датчик 1 положения ротора, интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, дифференцирующее звено 4, пропорционально-дифференциальный регулятор 5, силовой преобразователь 6, два электромагнита 7 и 8. Датчик 1 положения ротора соединен с инверсными входами интегрального и пропорционального регуляторов 2 и 3 и входом дифференцирующего звена 4. Выход интегрального регулятора 2 соединен с прямым входом пропорционального регулятора 3. Выход пропорционального регулятора 3 соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора 5. Выход дифференцирующего звена 4 соединен с инверсным входом пропорционально-дифференциального регулятора 5, выход которого соединен со входом силового преобразователя 6. К выходу силового преобразователя 6 подключены обмотки электромагнитов 7 и 8.
В качестве датчика 1 положения ротора может быть применен, например, индуктивный токовихревой датчик. Интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, дифференцирующее звено 4 и пропорционально-дифференциальный регулятор 5 могут быть реализованы, например, на операционных усилителях (см. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990, с.124), например, К140УД7. Силовой преобразователь 6, например, представляет собой транзисторный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из широтно-импульсного модулятора и транзисторного моста (см. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990, с.119-122). Перечисленные выше блоки системы управления электромагнитным подвесом ротора могут быть также выполнены на элементах цифровой техники, в том числе и программно. Электромагниты 7 и 8 располагаются на статоре роторной машины, например, на одной оси с противоположных сторон от ротора и могут быть выполнены, например, как явнополюсные или с распределенными обмотками. Обмотки электромагнитов подключаются к транзисторному мосту, например, как показано на фиг.2.
Система управления электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом. В каждом канале управления датчик 1 положения ротора измеряет отклонение ротора от центрального положения, принятого за базовое. Сигнал об измеренном отклонении подается на инверсные входы интегрального и пропорционального регуляторов 2 и 3 и на вход дифференцирующего звена 4.
В соответствии с передаточными функциями, реализованными регуляторами 2, 3 и 5 и дифференцирующим звеном 4, с выхода пропорционально-дифференциального регулятора 5 на вход силового преобразователя 6 подается сигнал, пропорционально которому силовой преобразователь 6 регулирует напряжения на обмотках электромагнитов 7 и 8. В результате в обмотках электромагнитов 7 и 8 формируются такие токи, которые создают результирующую силу, возвращающую ротор в центральное (по датчику 1) положение.
ДП
И
П
ОСС
ПД
З
В
З
Действительно, процессы, протекающие при работе предложенной системы управления электромагнитным подвесом ротора, можно представить структурной схемой (фиг.3). Здесь k - коэффициент передачи датчика 1 положения; W(p) - передаточная функция интегрального регулятора 2; k - коэффициент передачи пропорционального регулятора 3; k - коэффициент передачи (постоянная времени) дифференцирующего звена 4; W(p) - передаточной функции пропорционально-дифференциального регулятора 5; а x(р), F(p) и х(р) - изображения сигнала задания, возмущающей силы и перемещения (отклонения от центрального положения) ротора, соответственно. Причем для системы управления электромагнитным подвесом ротора принципиально х(р)=0.
ШИМ
Э
ЭМ
F
E
Остальные динамические звенья в совокупности представляют собой линеаризованную математическую модель процесса перемещения ротора в поле электромагнитного подшипника под действием управляющего сигнала на входе силового преобразователя 6. Коэффициенты передачи k и U характеризуют параметры силового преобразователя 6: коэффициент передачи широтно-импульсного преобразователя и напряжение питания транзисторного моста. Динамическое звено с передаточной функцией  (Т - постоянная времени электрической цепи обмоток электромагнитов) связывает приращение соотношения токов в электромагнитах 7 и 8 с приращением напряжения на обмотках, причем заведомо принимается такой закон коммутации транзисторов моста, что увеличение напряжения на одной из обмоток приводит к такому же уменьшению напряжения на другой. Коэффициент передачи k связывает силу, действующую со стороны электромагнитов на ротор при его центральном положении, с соотношением токов в электромагнитах. Коэффициент передачи k характеризует изменение силы, действующей на ротор, при его отклонении от центрального положения. Динамическое звено  в соответствии со вторым законом Ньютона определяет перемещение ротора под действием результирующей силы. Коэффициент передачи k характеризует приращение наводимой в обмотках электромагнитов эдс со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.
Величина постоянной времени пропорционально-дифференциального регулятора 5
ПД
ПЛ
ПД
W(p)=k(Tp+1)
определяется, например, из соотношения
ПД
Э
T=2Т,
ПД
а коэффициент передачи k этого регулятора может варьироваться в широких пределах.
П
И
Величина коэффициента передачи k пропорционального регулятора 3 в соответствии с условием устойчивости также может выбираться из широкого ряда значений. Величина постоянной времени Т интегрального регулятора 2
выбирается из условия обеспечения максимального быстродействия при минимуме перерегулирования выходной координаты в переходных процессах.
E
ЭМ
F
Э
ПД
ПД
П
И
ПП
max
На фиг.4 приведены графики переходных процессов по управлению и возмущению при следующих параметрах электромагнитного подвеса ротора, например, турбины: k=1461 В·с/м; k=1306 Н; k=1315900 Н/м; m=18 кг; Т=0,038233 с; U=57,7 В, и при выборе параметров регуляторов: Т=0,076466 с, k=20, k=25, Т=0,001 с. Анализ графиков показывает, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора наблюдается высочайшее быстродействие. Время переходного процесса по управляющему воздействию составляет t=0,00215 с, перерегулирование σ=0,98%. Динамический провал ротора при ударном приложении силы в 1 Н составит всего Δх=0,00259 мкм, причем он в конечном итоге компенсируется замкнутой системой. Достичь подобных результатов в системе управления, взятой за прототип, невозможно.
Таким образом, предложенная система управления позволяет повысить быстродействие и динамическую точность электромагнитного подвеса ротора.