СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области автоматизированного электропривода, а именно к системам управления и может быть использовано для автоматического управления бесконтактными двигателями постоянного тока.
Известно устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока [Свидетельство РФ №16210, МПК 7 G 05 B 11/01, БИПМ №34, опубл. 10.12.2000], содержащее блок управления, блок формирования управляющих импульсов, модулятор, регулируемый вторичный источник питания, N пар силовых ключей, имеющих заземленный вывод и соединенных с положительным выводом источника питания, имеющего заземленный вывод и входную клемму питания, где N натуральный ряд чисел N≥3, выводы N пар силовых ключей являются выводами подключения к N обмоткам бесконтактного двигателя постоянного тока, имеющего N обмоток. N входов модулятора являются входами подключения к N датчикам положения ротора двигателя, блок формирования управляющих импульсов имеет К выходов, где К натуральный ряд чисел K>2N, которые соответственно подключены ко входам модулятора, первый вход блока формирования управляющих импульсов подключен к выходу модулятора, второй, третий, четвертый, пятый входы блока формирования управляющих импульсов соответственно подключены к первому, второму, третьему, четвертому выходам блока управления, 2N выходов модулятора соответственно подключены к входам N пар силовых ключей, вход управления регулируемого вторичного источника питания подключен к управляющему выходу модулятора.
Недостатком устройства является отсутствие датчиков тока и обратной связи по току, что может вызывать пульсации момента и неравномерность вращения двигателя.
Известна система управления бесконтактным двигателем постоянного тока [Попов Б.Н. Микропроцессорное управление бесконтактными двигателями постоянного тока //Электротехника. - 1992. - №12. - С.24-28.], содержащая специализированный микроконтроллер, специализированный микропроцессорный вычислитель, цифровую вычислительную машину, буферный регистр, устройство гальванической развязки, датчик положения ротора, аналого-цифровой преобразователь, источник питания и 6 ключевых элементов. Цифровая вычислительная машина, специализированный микропроцессорный вычислитель, специализированный микроконтроллер, буферный регистр и устройство гальванической развязки связаны последовательно. Ключевые элементы образуют трехфазный мостовой инвертор, к которому подключен бесконтактный двигатель постоянного тока. Источник питания подключен к инвертору. Выход датчика положения ротора соединен с входом специализированного микроконтроллера. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом специализированного микропроцессорного вычислителя.
Недостатком системы является отсутствие датчиков тока в фазах двигателя, отсутствие раздельного регулирования тока каждой фазы двигателя, что может вызывать пульсации момента и неравномерность вращения двигателя.
Известна система управления бесконтактным двигателем постоянного тока [Козаченко В. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам //Новости микросхем. - 1999. - №1. - С.2-9], выбранная в качестве прототипа, содержащая источник питания, инвертор, широтно-импульсный модулятор, регулятор тока, регулятор скорости, модуль захвата процессора событий,
модуль оценки скорости на интервале коммутации (блок оценки скорости), датчик тока в цепи источника питания, датчики положения ротора. Сигнал задания скорости и сигнал с выхода блока оценки скорости поступают на регулятор скорости. Сигнал с выхода регулятора скорости и сигнал с выхода датчика тока поступают на регулятор тока. Выход регулятора тока связан с первым входом широтно-импульсного модулятора. Шесть выходов широтно-импульсного модулятора связаны с входами ключей инвертора. К инвертору подключен трехфазный бесконтактный двигатель постоянного тока. Напряжение питания подается на инвертор от источника питания. Выходы датчиков положения ротора связаны с входами модуля захвата процессора событий, выход которого связан со вторым входом широтно-импульсного модулятора и входом модуля оценки скорости на интервале коммутации.
Недостатком системы является отсутствие датчиков тока в фазах двигателя (имеется один датчик тока в цепи источника питания), отсутствие раздельного регулирования тока каждой фазы двигателя, что в некоторых случаях не обеспечивает равномерность вращения.
Задачей полезной модели является повышение плавности вращения двигателя и уменьшение пульсаций момента путем уменьшения пульсаций тока в фазах двигателя.
Поставленная задача решена за счет того, что в системе управления бесконтактным двигателем постоянного тока, так же как в прототипе, содержатся блок задания, подключенный к регулятору скорости, регулятор скорости, связанный с регулятора тока, который связан с широтно-импульсным модулятором, подключенным к блоку управления инвертором, три датчика положения ротора, при этом каждый подключен к блоку управления инвертором и к блоку оценки скорости, который связан с регулятором скорости, источник питания связанный с инвертором, трехфазный бесконтактный двигатель постоянного тока, подключенный к инвертору. В отличие от прототипа в систему дополнительно введены сумматор и три блока дифференцирования, кроме того, введены два датчика
тока находящиеся в первой и второй фазах трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока, два аналого-цифровых преобразователя, блок управления инвертором, устройство гальванической развязки. Каждый из аналого-цифровых преобразователей одновременно связаны с регулятором тока и соответственно с первым и вторым блоками дифференцирования и входами сумматора. Сумматор подключен к третьему блоку дифференцирования и к регулятору тока. Блоки дифференцирования связаны с регулятором тока. Блок управления инвертором через устройство гальванической развязки подключен к инвертору.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Датчики тока, находящиеся в фазах двигателя вырабатывают сигналы, пропорциональные токам, протекающим в обмотках двигателя. Аналого-цифровые преобразователи формируют цифровые коды, соответствующие сигналам, поступающим с датчиков тока. Информация о токе в третьей фазе определяется путем суммирования в сумматоре сигналов соответствующих токам первой и второй фаз. Таким образом, происходит измерение тока каждой фазы двигателя на интервалах коммутации обмоток. Измеренные значения тока используются в качестве сигналов обратной связи. В отличие от случая, когда используется один датчик тока в цепи питания, предлагаемая система анализирует не интегральное (суммарное) значение тока, а значение тока в каждой фазе двигателя. Различие токов разных фаз особенно сильно в областях низких скоростей - в этом случае использование общего датчика тока может привести к недооценке пульсаций тока в отдельных фазах, что в свою очередь приводит к пульсации момента двигателя и неравномерности его вращения. Блоки дифференцирования осуществляют вычисление производных токов фаз. Сигналы пропорциональные производным токов фаз поступают на регулятор тока, где они суммируются с соответствующими сигналами обратной связи по току, таким образом, организуется обратная связь по производным токов. В результате система реагирует не только на величину тока, но и на скорость
его изменения, что также позволяет снизить броски момента и повысить плавность вращения двигателя.
На фиг.1. приведена структурная схема системы управления трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока.
На фиг.2. приведена структурная схема блока регуляторов. Система управления трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока содержит (фиг.1.) блок задания 1 (БЗ), соединенный с первым входом блока регуляторов 2 (БР), выход блока регуляторов соединен с входом широтно-импульсного модулятора 3 (ШИМ). Выходы блока оценки скорости 4 (БОС) и аналого-цифровых преобразователей 5 (АЦП1), 6 (АЦП2) соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым входами блока регуляторов 2. Выход широтно-импульсного модулятора 3 соединен с первым входом блока управления инвертором 7 (БУИ), выходы которого через устройство гальванической развязки 8 (УГР) соединены с инвертором 9 (И). Источник питания постоянного тока 10 (ИП) соединен с инвертором 9. Выходы датчиков тока 11 (ДТ1), 12 (ДТ2) соединены соответственно с входами 5 АЦП1, 6 АЦП2. Выходы датчиков положения ротора 13 (ДПР1), 14 (ДПР2), 15 (ДПРЗ) соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами блока оценки скорости 4 и вторым, третьим, четвертым входами блока управления инвертором 7. Трехфазный бесконтактный двигатель постоянного тока 16 (М) подключен к инвертору 9. Блок регуляторов 2 содержит (фиг.2) регулятор скорости 17 (PC), входы которого связан с блоком задания 1 и блоком оценки скорости 4. Выход регулятора скорости 17 соединен с первым входом регулятора тока 18 (РТ). На второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы регулятора тока поступают сигналы соответственно с АЦП1 5, АЦП2 6, сумматора 22 (С), блока дифференцирования 19 (Д1), блока дифференцирования 20 (Д2), блока дифференцирования 21 (ДЗ). Выход регулятора тока 18 является выходом блока регуляторов 2. Вход сумматора 22 связан с выходами АЦП1 5 и АЦП2 6. Вход блока дифференцирования 19 (Д1) связан с выходом АЦП1 5, вход
блока дифференцирования 20 (Д2) связан с выходом АЦП2 6, вход блока дифференцирования 21 (ДЗ) связан с выходом сумматора 22.
Блок задания 1, широтно-импульсный модулятор 3, блок оценки скорости 4, блок управления инвертором 8, блок регуляторов 2 и входящие в его состав регулятор скорости 17, регулятор тока 18, блоки дифференцирования 19, 20, 20 и сумматор 22 могут быть алгоритмически реализованы на основе стандартного микроконтроллера для цифровой обработки сигналов, например серии TMS320x24x (производства Texas Instruments). В качестве аналого-цифровых преобразователей 5, 6 могут быть использованы встроенные в микроконтроллер аналого-цифровые преобразователи. В качестве устройства гальванической развязки 8 могут быть использованы оптронные развязки HCPL4504 (производства Hewlett Packard). В качестве источника питания постоянного тока 10 может быть использована сеть постоянного тока. В качестве инвертора 9 может быть использован трехфазный мостовой инвертор напряжения на интеллектуальном силовом модуле PM30RSF060 (производства Mitsubishi Electric). В качестве датчиков тока 11, 12 могут быть использованы датчики тока LTS 25-NP (производства LEM). В качестве датчиков положения ротора 13, 14, 15 могут быть использованы магнитоуправляемые микросхемы на основе эффекта Холла типа 1116КП8. В качестве трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока может быть использован трехфазный синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов АС-032.
Устройство работает следующим образом:
Блок задания 1 осуществляет формирование цифрового кода, определяющего скорость вращения бесконтактного двигателя постоянного тока, в соответствии с требованиями технологического процесса. Аналого-цифровые преобразователи 5, 6 осуществляют преобразование аналоговых сигналов (напряжение, пропорциональное току фазы) поступающих с датчиков тока 12, 13 установленных в фазах двигателя. Цифровые коды,
соответствующие токам в фазах двигателя, сформированные аналого-цифровыми преобразователями 5, 6 поступают на третий и четвертый входы блока регуляторов 2 (второй и третий входы регулятора тока 18). Сумматор 22 осуществляет суммирование сигналов, соответствующих величинам токов в первой и второй фазах двигателя (поступают с АЦГТ1 5 и АЦП2 6). Получаемый в результате суммирования сигнал соответствует величине тока в третьей фазе двигателя. Блоки дифференцирования 19, 20, 21 осуществляют формирование сигналов соответствующих величинам производных токов путем дифференцирование сигналов, поступающих с АЦП1 5, АЦП2 6 и сумматора 22. Блок оценки скорости 4 формирует цифровой код, соответствующий текущему значению скорости вращения двигателя на основании сигналов с датчиков положения ротора 13, 14, 15. Цифровой код с выхода блока оценки скорости 4 поступает на второй вход регулятора скорости 17 (второй вход блока регуляторов 2).
Регулятор скорости 17 реализует следующие математические зависимости [Анучин А.С. Реализация на микроконтроллере TMS320x24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода //Электропривод и системы управления. Труды МЭИ (ТУ) вып.678. - 2002. - с.42-48]:
где:
задk
i - величина сигнал задания на ток на k-ом интервале дискретизации,
задk-1
i - величина сигнал задания тока на (k-1)-ом интервале дискретизации,
k
Δω - величина ошибки по скорости на k-ом интервале дискретизации,
k-1
Δω - величина ошибки по скорости на (k-1)-ом интервале дискретизации,
k-2
Δω - величина ошибки по скорости на (k-2)-ом интервале дискретизации,
ЗАДk
ω - величина сигнала задания на скорость (поступающий с блока задания 1) на k-том интервале дискретизации,
ОСk
ω - величина сигнала текущего значения скорости вращения (поступающий с блока оценки скорости 4) на k-том интервале дискретизации,
0РС
1РС
2РС
k, k, k - коэффициенты дискретного ПИД-регулятора скорости,
где:
ПРС
k - коэффициент передачи ПИД-регулятора скорости,
ИРС
Т - постоянная времени интегрирования ПИД-регулятора скорости,
ДРС
Т - постоянная времени дифференцирования ПИД-регулятора скорости,
Т - период дискретизации.
задk
Величина i является выходной для регулятора скорости 17.
Регулятор тока 18 формирует код управления в соответствии со следующими математическим зависимостями:
где:
ЗAДk
U - величина сигнала задания на напряжение на k-том интервале дискретизации,
ЗАД1k
U - величина сигнала задания на напряжение первой фазы на k-том интервале дискретизации,
ЗAД2k
U - величина сигнала задания на напряжение второй фазы на k-том интервале дискретизации,
ЗАД3k
U - величина сигнала задания на напряжение третьей фазы на k-том интервале дискретизации.
где:
ЗАД1k-1
U - величина сигнала задания на напряжение первой фазы на (k-1)-ом интервале дискретизации,
ЗАД2k-1
U - величина сигнала задания на напряжение второй фазы на (k-1)-ом интервале дискретизации,
ЗАД3k-1
U - величина сигнала задания на напряжение третьей фазы на (k-1)-ом интервале дискретизации.
1k
Δi - величина ошибки по току первой фазы на k-ом интервале дискретизации,
1k-1
Δi - величина ошибки по току первой фазы на (k-1)-ом интервале дискретизации,
1k-2
Δi - величина ошибки по току первой фазы на (k-2)-ом интервале дискретизации,
2k
Δi - величина ошибки по току второй фазы на k-ом интервале дискретизации,
2k-1
Δi - величина ошибки по току второй фазы на (k-1)-ом интервале дискретизации,
2k-2
Δi - величина ошибки по току второй фазы на (k-2)-ом интервале дискретизации,
3k
Δi - величина ошибки по току третьей фазы на k-ом интервале дискретизации,
3k-1
Δi - величина ошибки по току третьей фазы на (k-1)-ом интервале дискретизации,
3k-2
Δi - величина ошибки по току третьей фазы на (k-2)-ом интервале дискретизации,
ЗАДk
i - величина сигнала задания на ток на k-том интервале дискретизации,
ОС1k
i - величина сигнала текущего значения тока первой фазы на k-том интервале дискретизации (поступает с АЦП1 5),
ОС2k
i - величина сигнала текущего значения тока второй фазы на k-том интервале дискретизации (поступает с АЦП2 6),
ОС3k
i - величина сигнала текущего значения тока третьей фазы на k-том интервале дискретизации (поступает с сумматора 22),
'
ОС1k
i  - величина сигнала текущего значения производной тока первой фазы на k-том интервале дискретизации (поступает с блока дифференцирования 19),
'
ОС2k
i  - величина сигнала текущего значения производной тока второй фазы на k-том интервале дискретизации (поступает с блока дифференцирования 20),
'
ОС3k
i  - величина сигнала текущего значения производной тока третьей фазы на k-том интервале дискретизации (поступает с блока дифференцирования 21),
V
k - весовой коэффициент, характеризующий учет производной тока регулятором тока,
0РТ
1РТ
2РТ
k, k, k - коэффициенты дискретного ПИД-регулятора тока,
где:
ПР
k - коэффициент передачи ПИД-регулятора тока,
ИРТ
Т - постоянная времени интегрирования ПИД-регулятора тока,
ДРТ
Т - постоянная времени дифференцирования ПИД-регулятора тока.
Коэффициенты и постоянные времени ПИД-регуляторов скорости и тока вычисляются в соответствии с настройкой системы на модульный либо симметричный оптимум по известным методикам [Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982. - 392 с.].
ЗАДk
U является выходным сигналом для регулятора тока 18 и блока регуляторов 2.
Блоки дифференцирования 19, 20, 21 реализуют следующие математические зависимости:
Сигнал с блока регуляторов 2 поступает на широтно-импульсный модулятор 3, который осуществляет широтно-импульсную модуляцию сигнала задания напряжения. Сигналы с датчиков положения ротора 13, 14, 15 поступают на второй, третий и четвертый входы блока управления инвертором 7. Блок управления инвертором 7 осуществляет подачу управляющих сигналов на силовые ключи инвертора 9 через устройство гальванической развязки 8 в соответствии с сигналами с датчиков положения ротора 13, 14, 15 и кодом задания с широтно-импульсного модулятора 3. Устройство гальванической развязки 8 осуществляет гальваническую развязку информационной и силовой частей системы управления. Инвертор 9 осуществляет подачу напряжения питания с источника питания 10 на обмотки бесконтактного двигателя постоянного тока 16.
Таким образом, реализуется управление бесконтактным двигателем постоянного тока, позволяющее добиться снижения пульсаций и бросков
момента за счет регулирования токов фаз с использованием обратных связей по токам фаз и по производным токов фаз.