СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА
ROTOR ELECTROMECHANICAL SUSPENSION CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах.
Наиболее близким по технической сущности является система управления электромагнитным подвесом ротора (см. патент Российской Федерации №2395150, опубл. 20.07.2010, бюл. №20), в которой каждый канал системы управления содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференцирующее звено, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь и два электромагнита.
Недостатком наиболее близкой системы управления электромагнитным подвесом ротора является то, что в режиме всплытия со страховочных подшипников при настройках регуляторов, выбранных из условия обеспечения высокого быстродействия, она становится неустойчивой. В результате приходится заведомо снижать быстродействие системы для обеспечения работоспособности электромагнитного подвеса во всех режимах.
Сущность изобретения заключается в том, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал которой содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференцирующее звено, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, причем выход датчика положения ротора соединен с инверсными входами интегрального и пропорционального регуляторов и входом дифференцирующего звена, выход пропорционального регулятора соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора, инверсный вход которого соединен с выходом дифференцирующего звена, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с входом силового преобразователя, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов, каждый канал дополнительно снабжен пропорциональным звеном, блоком выделения модуля, блоком задания, сумматором и блоком деления, причем выход датчика положения ротора соединен с входом пропорционального звена, выход которого соединен с входом блока выделения модуля, выход блока задания соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока выделения модуля, выход интегрального регулятора соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход блока деления соединен с прямым входом пропорционального регулятора.
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, пропорциональное звено 9, блок 10 выделения модуля, блок 11 задания, сумматор 12 и блок 13 деления. Датчик 1 положения ротора соединен с инверсными входами интегрального 2 и пропорционального 3 регуляторов и входом дифференцирующего звена 4. Выход пропорционального регулятора 3 соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора 5, инверсный вход которого соединен с выходом дифференцирующего звена 4. Выход пропорционально-дифференциального регулятора 5 соединен с входом силового преобразователя 6, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов 7 и 8. Выход датчика 1 положения ротора соединен с входом пропорционального звена 9, выход которого соединен с входом блока 10 выделения модуля. Выход блока 11 задания соединен с первым входом сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом блока 10 выделения модуля. Выход интегрального регулятора 2 соединен с первым входом (входом делимого) блока 13 деления, второй вход (вход делителя) которого соединен с выходом сумматора 12. Выход блока 13 деления соединен с прямым входом пропорционального регулятора 3.
Интегральный регулятор 2, например, может быть реализован по патенту России №2325681, опубл. 27.05.2008, бюл. №15, пропорциональный регулятор 3, дифференцирующее звено 4, пропорционально-дифференциальный регулятор 5 и пропорциональное звено 9 могут быть реализованы, например, по авт.св. СССР №1649501, опубл. 15.05.91, бюл. №18. Блок 10 выделения модуля может быть реализован, например, в виде композиции коммутатора, управляемого знаком входного сигнала, на один информационный вход которого входной сигнал подается непосредственно, а на другой - через инверторы. Блок 11 задания параметров может быть выполнен, например, на микросхемах К555ТМ8, разрядные входы которых подключаются с помощью переключателей к логическим нулям или единицам. Сумматор 12, например, выполнен на микросхемах К555ИМ6. Блок 13 деления, например, реализован на микропроцессоре К1801ВМ2, имеющем встроенную функцию деления. Перечисленные выше блоки системы управления электромагнитным подвесом ротора могут быть также выполнены программно на микропроцессоре или программируемом контроллере. В качестве датчика 1 положения ротора может быть применен, например, индуктивный токовихревой датчик с блоком измерения, выполненным, например, по патенту РФ №2191346, опубл. 20.10.2002, бюл. №29. Силовой преобразователь 6, например, представляет собой транзисторный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из широтно-импульсного модулятора (см. патент России №2172062, опубл. 10.08.2001, бюл. №22) и транзисторного моста. 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 нулевое. Сигнал об измеренном отклонении подается на инверсные входы интегрального и пропорционального регуляторов 2 и 3 и на входы дифференцирующего 4 и пропорционального 9 звеньев.
В соответствии с передаточными функциями, реализованными регуляторами 2, 3 и 5, дифференцирующим звеном 4, пропорциональным звеном 9, блоком 10 выделения модуля, сумматором 12 и блоком 13 выделения модуля 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
П
ОСС
ПД
ПЗ
ИО
З
B
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;  - передаточная функция интегрального регулятора 2; k - коэффициент передачи пропорционального регулятора 3; k - коэффициент передачи (постоянная времени) дифференцирующего звена 4; W(р) - передаточная функция пропорционально-дифференциального регулятора 5; k - коэффициент передачи пропорционального звена 9; Т - величина постоянной времени интегрального регулятора при нулевом отклонении ротора от центрального положения, задаваемая блоком 11 задания; а х(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 напряжение 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 э.д.с. со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.
Величина постоянная времени пропорционально-дифференциального регулятора 5
ПД
ПД
ПД
W(p)=k(Tp+1)
определяется, например, из соотношения
ПД
Э
Т=4Т,
ПД
а коэффициент передачи k этого регулятора может варьироваться в широких пределах.
П
И
ПЗ
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 в совокупности с коэффициентом передачи k пропорционального звена 9 и с учетом действия блока 10 выделения модуля, сумматора 12 и блока 13 деления определяется выражением
И
ИО
пз
Т=Т+kΔx,
где Δx - отклонение ротора от центрального положения.
E
ЭМ
F
Э
ПД
ПД
П
ОСС
ПЗ
ИО
На фиг.4 приведены графики переходных процессов при всплытии ротора со страховочных подшипников и при действии возмущающей силы при исходном центральном положении ротора. В расчетах приняты следующие параметры электромагнитного подвеса ротора, например турбины: k=1461 Вс/м; k=1306 H; k=1315900 Н/м; m=36 кг; Т=0,038233 с; U=57,7 В, Т=0,1529 с, k=32, k=16, k=0,0032 с, k=0,0001, Т=0,0004 с.
ПП
max
p
Анализ графиков показывает, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора наблюдается высокое быстродействие во всех режимах работы. Ротор всплывает со страховочных подшипников, имеющих зазор в рабочем состоянии δ=0,5 мм, за время t=0,126 с. Динамический провал ротора при ударном приложении силы в 1 Н составляет Δx=0,000129 мкм, причем время восстановления равно t=0,0017 с. Следует также отметить, что ротор возвращается в центральное положение после приложения нагрузки. Достичь такого быстродействия в системе управления, взятой за прототип, невозможно.
Таким образом, предложенная система управления позволяет повысить быстродействие и динамическую точность электромагнитного подвеса ротора.