Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления
METHOD FOR CONTROL OF AC ELECTRONIC MOTOR AND TRACKING SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к управляемым электрическим двигателям, в частности к классу вентильных двигателей (бесколлекторных двигателей постоянного тока - БДПТ), и может найти применение вместо коллекторного двигателя постоянного тока, например, в следящих системах автоматического управления и регулирования.
Известны способы управления вентильным двигателем, основанные на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону [В.А. Головацкий и др. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых схемах. В кн. Электронная техника в автоматике. Сборник статей под ред. Ю.И. Конева. Выпуск 4. М., 1973, стр. 34-37].
Такой способ управления позволяет получить плавное и широкое регулирование скорости вентильного двигателя, малые пульсации момента и высокий к.п.д. Однако статические и динамические характеристики вентильного двигателя при таком способе управления существенно отличаются от характеристик коллекторного двигателя постоянного тока [В.Н. Крывой и др. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. Информэлектро. М., 1970, стр. 5-8], что является недостатком известного способа. Кроме того, угол поворота вала вентильного двигателя отрабатывается при таком способе управления не оптимально по точности.
Из известных способов управления вентильным двигателем наиболее близким по технической сущности является способ, который выбран в качестве прототипа для заявляемого способа. Данный способ основан на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазное напряжение питания формируют из знака разности сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя, причем сигнал управления формируют путем вычитания из сигнала задания по углу сигнала обратной связи по скорости и сигнала обратной связи по углу [Сухинин Б.В., Сурков В.В., Егоров А.Ю., Сурков А.В. Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления. Патент №2455748 на изобретение. Зарегистрирован 10.07.2012. Бюл. №19].
Такой способ управления позволяет получить характеристики вентильного двигателя, аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, причем угол поворота вентильного двигателя отрабатывается при этом оптимально по точности при нулевом моменте нагрузки. Однако при любом другом моменте нагрузки, не равном нулю, угол поворота вентильного двигателя отрабатывается неоптимально по точности, причем чем больше момент нагрузки, тем больше величина ошибки.
Известны схемы вентильных двигателей, содержащие трехфазный синхронный двигатель, подключенный к выходу трехфазного преобразователя, среднее значение выходного напряжения которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, обмотка возбуждения которого соединена с выходом модулятора, на вход модулятора подается напряжение управления, выход трехфазного датчика положения ротора подключен к входу трехфазного демодулятора, а выход трехфазного демодулятора соединен с входом преобразователя [В.А. Головацкий и др. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых схемах. В кн. Электронная техника в автоматике. Сборник статей под ред. Ю.И. Конева. Выпуск 4. М., 1973, стр. 34-37].
Такой вентильный двигатель не позволяет получить статические и динамические характеристики как у коллекторного двигателя постоянного тока [В.Н. Крывой и др. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. Информэлектро. М., 1970, стр. 5-8], что является недостатком известного вентильного двигателя. Кроме того, угол поворота вала вентильного двигателя отрабатывается при таком способе управления не оптимально по точности.
Из известных вентильных двигателей наиболее близким по технической сущности является вентильный двигатель, который взят в качестве прототипа для заявляемого устройства. Данный вентильный двигатель содержит последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный сумматор, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, с датчиком скорости синхронного двигателя и через редуктор с датчиком угла синхронного двигателя, вычитающий вход трехфазного сумматора соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, вход модулятора соединен с выходом сумматора с тремя входами, первый вычитающий вход которого соединен с выходом датчика скорости синхронного двигателя, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика угла синхронного двигателя, а суммирующий вход является входом управления вентильного двигателя по углу поворота [Сухинин Б.В., Сурков В.В., Егоров А.Ю., Сурков А.В. Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления. Патент №2455748 на изобретение. Зарегистрирован 10.07.2012. Бюл. №19]. Такой вентильный двигатель позволяет получить характеристики вентильного двигателя, аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, причем угол поворота вентильного двигателя отрабатывается при этом оптимально по точности при нулевом моменте нагрузки. Однако при любом другом моменте нагрузки, не равном нулю, угол поворота вентильного двигателя отрабатывается неоптимально по точности, причем чем больше момент нагрузки, тем больше величина ошибки.
Технической задачей настоящей группы изобретений является получение оптимального по точности угла поворота выходного вала управления вентильным двигателем, инвариантного (не зависящего) от изменяющегося момента нагрузки, путем аналитического конструирования оптимального по точности регулятора угла поворота вентильного двигателя и подчиненного ему регулятора тока вентильного двигателя.
Данная задача решается тем, что в известном способе управления вентильным двигателем, основанным на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в трехфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него трехфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, трехфазное напряжение питания формируют из знака разности сигнала трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала трехфазного датчика тока синхронного двигателя, причем релейный сигнал управления формируют путем вычитания из сигнала задания по углу сигнала обратной связи по углу и сигнала обратной связи по ускорению.
В следящую систему с вентильным двигателем, содержащую последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный сумматор, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, с датчиком скорости синхронного двигателя и через редуктор с датчиком угла синхронного двигателя, вычитающий вход трехфазного сумматора соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, дополнительно введены сумматор с четырьмя входами, реле и наблюдатель, вычисляющий производную входного сигнала, вход которого соединен с выходом датчика скорости, вход модулятора соединен с выходом реле, а вход реле соединен с выходом сумматора с четырьмя входами, первый вычитающий вход которого соединен с выходом датчика угла синхронного двигателя, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика скорости синхронного двигателя, третий вычитающий вход соединен с выходом наблюдателя, а суммирующий вход является входом управления вентильного двигателя по углу поворота.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема следящей системы, реализующей способ оптимального по точности управления углом поворота выходного вала вентильного двигателя, инвариантной (не зависящей) от изменяющегося момента нагрузки.
На фиг. 2 представлена структурная схема наблюдающего устройства для вычисления производной входного сигнала.
Данный способ может быть использован в любой следящей системе с вентильным двигателем вместо коллекторного двигателя постоянного тока.
f
Для пояснения способа воспользуемся уравнениями Горева-Парка в координатах d, q [А.А. Горев. Переходные процессы синхронной машины. М.: ГЭИ, 1950] для синхронного двигателя при токе возбуждения I=const:
где ϕ - угол поворота выходного вала редуктора,
p
k - коэффициент передачи редуктора,
ω - скорость вращения ротора синхронного двигателя,
R - активное сопротивление обмотки статора двигателя,
L - коэффициент индукции по продольной оси двигателя,
λ - коэффициент явнополюсности,
М - коэффициент взаимоиндукции между обмоткой статора и ротора,
d
i - ток по продольной оси двигателя,
q
i - ток по поперечной оси двигателя,
d
u - напряжение по продольной оси двигателя,
q
u - напряжение по поперечной оси двигателя,
J - момент инерции вращающихся масс,
эм
m - электромагнитный момент вращения вала двигателя,
н
m - момент нагрузки на валу двигателя,
A
B
c
u, u u - фазные напряжения двигателя,
A
B
C
C
i, i i u - фазные токи двигателя,
0
υ - угол поворота ротора синхронного двигателя, υ=∫ωdt+υ,
ρ=120° - угол сдвига осей фазных обмоток двигателя относительно друг друга.
d
q
Из уравнений (1) следует, что синхронный двигатель представляет собой объект регулирования с двумя управляющими воздействиями: u и u.
d
q
d
q
Проведем вначале синтез двух каналов d и q регулятора тока i и i. Воспользовавшись теорией аналитического конструирования регуляторов А.А. Красовского [Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 558 с.] или более простой в использовании, изложенной в [В.В. Сурков, Б.В. Сухинин и др. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 300 с.], запишем оптимальный по точности и одновременно оптимальный по быстродействию закон управления для регулятора тока i и i:
m
где U - напряжение питания преобразователя,
dзад
qзад
dзад
qзад
d
q
i, i или u, u - заданные значения сигналов управления для регулятора тока i и i соответственно;
k - коэффициент пропорциональности, k>0.
d
q
A
B
C
Переменные в координатах d, q выражаются через переменные в реальных координатах А, В, С посредством соотношений (2), (3). Например, фиктивным токам i, i соответствуют реальные фазные токи i, i i.
dзад
d
qзад
q
Aзад
A
Bзад
B
Сзад
C
Воспользовавшись соотношениями (2), (3), найдем, что разностям u-k⋅i, u-k⋅i, соответствуют разности u-k⋅i, u-k⋅i, u-k⋅i каждой фазы двигателя и оптимальным управлениям (4), (5) в координатах d, q соответствуют фазные управления
Здесь
Предлагаемый трехфазный регулятор тока реализуется в следящей системе с вентильным двигателем, содержащей последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, первый суммирующий вход трехфазного сумматора, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя и трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, второй вычитающий вход трехфазного сумматора соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя, на вход модулятора поступает сигнал управления по току [Сухинин Б.В., Сурков В.В., Егоров А.Ю., Домнин А.Н., Сурков А.В. Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления. Патент №2354036 на изобретение. Зарегистрирован 27.04.2009. Бюл. №12].
вх
вх
Трехфазный регулятор тока (фиг. 1) работает следующим образом. Напряжение задания u (сигнал управления по току) преобразуется модулятором 3 в напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (500-20000 Гц) с амплитудным значением, равным u, и подается на обмотку возбуждения датчика положения ротора синхронного двигателя 4, например, сельсина, ротор которого механически соединен с ротором синхронного двигателя. Сигнал с обмоток синхронизации сельсина подается на трехфазный демодулятор 5, на выходе которого появляется напряжение задания на оптимальный регулятор тока:
1
1
где k - общий коэффициент преобразования модулятора, датчика положения ротора синхронного двигателя и демодулятора, k=1;
θ - угол установки датчика положения ротора синхронного двигателя относительно ротора синхронного двигателя.
A
B
C
Посредством трехфазного сумматора 6 из трехфазного напряжения (10) с выхода демодулятора вычитается трехфазное напряжение, получаемое от трехфазного датчика тока 9, и подается на вход трехфазного реле 7, выходной сигнал которого подается на вход трехфазного преобразователя 8, на выходе трехфазного преобразователя 8 появляется трехфазное напряжение u, u, u, изменяющееся в соответствии с оптимальным законом управления (6)-(9). В качестве трехфазного преобразователя в схеме используется, например, трехфазный мост из шести транзисторов (тиристоров), которые работают в ключевом режиме.
dзад
qзад
Воспользовавшись соотношениями (2) и (10), найдем u и u регулятора токов (4) и (5), соответствующие заданиям (10):
При этом оптимальные управления (4), (5) примут следующий вид:
Из (13) следует, что при установке датчика положения ротора в нулевое положение (θ=0):
d
d
регулятор тока канала d стабилизирует ток i на нулевом уровне оптимально по быстродействию и поддерживает его оптимально по точности так, что i=0. При этом уравнения (6)-(8) с учетом (9), (10) при θ=0 приводятся к следующему виду:
1
Уравнения (1) с учетом (15), (16) при θ=0 и k=1 преобразуются к виду дифференциальных уравнений в форме Коши:
где .
Полученные уравнения (18) полностью аналогичны дифференциальным уравнениям коллекторного двигателя постоянного тока. Следовательно, и статические и динамические характеристики вентильного двигателя с данным регулятором тока полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока.
В соответствии с концепцией A.M. Ляпунова о возмущенно-невозмущенном движении [см., например, Б.В. Сухинин, Е.Т. Евстигнеев. Синтез электрических следящих приводов, оптимальных по точности: Учеб. пособие. Тул. политехи, ин-т. Тула, - 1992, с. 5-13], запишем уравнения системы (18) в отклонениях:
q
q
q
.н
.н
н
q
эм
где вместо i в последнем уравнении необходимо записать Δi=i-i, т.е. ток нагрузки i или соответствующий ему момент нагрузки m выступает в качестве задания для тока i или соответствующего ему электромагнитного момента m.
Проведем синтез регулятора положения (угла) ϕ. Воспользовавшись теорией аналитического конструирования регуляторов [В.В. Сурков, Б.В. Сухинин и др. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 300 с.], запишем функциональное уравнение, используя уравнения (19):
здесь f (X)=0, следовательно, условие  выполняется.
q
Таким образом, производная функции переключения для канала управления u имеет вид:
Интегрируя уравнение (22), получим функцию переключения в отклонениях:
q
зад
Подставляя в (23) ток i, выраженный из третьего уравнения системы (19), и принимая задающее воздействие по углу равным ϕ, имеем
где .
зад
ϕзад
Переходя в управлении (24) от ϕ к u, получим управление для регулятора положения (угла):
где .
Из формул регулятора угла (25) и регулятора тока (15), (16) следует, что рассматриваемый способ требует двух подчиненно работающих регуляторов: регулятора положения (угла) и регулятора тока, подчиненного регулятору положения (угла).
Предлагаемый способ реализуется в следящей системе с вентильным двигателем, содержащей последовательно соединенные модулятор, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, трехфазный демодулятор, трехфазный сумматор, трехфазное реле, трехфазный преобразователь, трехфазный датчик тока синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, с датчиком скорости синхронного двигателя и через редуктор с датчиком угла синхронного двигателя, вычитающий вход трехфазного сумматора соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя. В следящую систему дополнительно введены сумматор с четырьмя входами, реле и наблюдатель, вычисляющий производную входного сигнала, вход которого соединен с выходом датчика скорости, вход модулятора соединен с выходом реле, а вход реле соединен с выходом сумматора с четырьмя входами, первый вычитающий вход которого соединен с выходом датчика угла синхронного двигателя, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика скорости синхронного двигателя, третий вычитающий вход соединен с выходом наблюдателя, а суммирующий вход является входом управления вентильного двигателя по углу поворота.
Система содержит последовательно соединенные сумматор 1 с четырьмя входами, реле 2, модулятор 3, трехфазный датчик положения ротора синхронного двигателя 4, трехфазный демодулятор 5, трехфазный сумматор 6, трехфазное реле 7, трехфазный преобразователь 8, трехфазный датчик тока 9 синхронного двигателя, трехфазный синхронный двигатель 10, ротор которого механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 4 и через редуктор 11 с датчиком угла 12 синхронного двигателя, а также с датчиком скорости 13 синхронного двигателя, выход которого соединен с входом наблюдателя 14, вычисляющего производную входного сигнала, вычитающий вход трехфазного сумматора 6 соединен с выходом трехфазного датчика тока 9 синхронного двигателя, первый вычитающий вход сумматора с четырьмя входами 1 соединен с выходом датчика угла 12 синхронного двигателя, второй вычитающий вход соединен с выходом датчика скорости 13 синхронного двигателя, третий вычитающий вход соединен с выходом наблюдателя 14, а суммирующий вход является входом управления вентильного двигателя по углу поворота.
4
4
5
6
На фиг. 2 представлена структурная схема наблюдающего устройства для вычисления производной входного сигнала (производной скорости вентильного двигателя). Здесь: 15, 16 - сумматоры; 17 - реле; 18 -апериодическое звено первого порядка; 19 - интегрирующее звено; 20, 21 - пропорциональные звенья; Т - постоянная времени; К, К, К - постоянные коэффициенты.
Схема наблюдающего устройства содержит последовательно соединенные первый сумматора на два входа (16), второй сумматора на два входа (16), реле (17), апериодическое звено первого порядка (18), интегрирующее звено (19), пропорциональное звено (21), выход которого соединен с вычитающим входом первого сумматора (15), выход апериодического звена (18) соединен с входом пропорционального звена (20), выход пропорционального звена (20) соединен с вычитающим входом второго сумматора (16), выход интегратора является выходом наблюдающего устройства, входной сигнал подается на суммирующий вход первого сумматора.
Реализация способа с учетом выше приведенного описания рассмотрена на примере работы системы (фиг. 1):
ϕзад
ϕзад
вх
A
B
C
Напряжение задания по углу u (сигнал управления) подается на суммирующий вход сумматора 1, посредством которого из сигнала u вычитается напряжение, пропорциональное углу поворота датчика угла поворота ротора синхронного двигателя 12, и вычитается напряжение, пропорциональное скорости вращения датчика скорости синхронного двигателя, например тахогенератора 13, и вычитается также напряжение, пропорциональное производной 14 скорости вращения датчика скорости синхронного двигателя. Вычисление производной скорости осуществляется, например, с помощью наблюдающего устройства (фиг. 2), синтезированного методом аналитического конструирования регуляторов [см., например, Б.В. Сухинин, Е.Т. Евстигнеев. Синтез электрических следящих приводов, оптимальных по точности: Учеб. пособие. Тул. политехн, ин-т. Тула, - 1992., с. 50-52]. Ротор синхронного двигателя 10 механически соединен с валом трехфазного датчика положения ротора 4 синхронного двигателя, с ротором датчика скорости 13 и через редуктор 11 с ротором датчика угла 12 синхронного двигателя. Выходное напряжение сумматора 1 подается на реле 2 и на выходе реле 2 (на входе модулятора 3) появляется напряжение (25), которое подается на трехфазный регулятор тока: преобразуется модулятором 3 в напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (500-20000 Гц) с амплитудным значением, равным u, и подается на обмотку возбуждения датчика положения ротора 4 синхронного двигателя, например, сельсина. Сигнал с обмоток синхронизации сельсина подается на трехфазный демодулятор 5, на выходе которого появляется напряжение задания на оптимальный регулятор тока (10). Посредством трехфазного сумматора 7 из трехфазного напряжения (10) с выхода демодулятора 5 вычитается трехфазное напряжение, получаемое от трехфазного датчика тока 9, и подается на вход трехфазного реле 7, выходной сигнал которого подается на вход трехфазного преобразователя 8, на выходе трехфазного преобразователя 8 появляется трехфазное напряжение u, u, u, изменяющееся в соответствии с оптимальным законом подчиненного управления (17), (25): закон оптимального управления трехфазным током двигателя (17) подчинен закону оптимального управления углом поворота вала двигателя (25).
Таким образом, во-первых, статические и динамические характеристики при управлении вентильным двигателем по предлагаемому способу полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Во-вторых, при таком способе управления вентильным двигателем он приобретает дополнительно свойства оптимального по точности отработки углом поворота вала двигателя при случайно изменяющемся моменте нагрузки, не превышающем максимальный момент вращения двигателя.
Точность работы современных систем автоматического регулирования обычно ограничивается ошибкой системы. Предлагаемый способ позволяет получить оптимальный по точности отработки угол поворота вала вентильного двигателя инвариантный (не зависящий) от изменяющегося момента нагрузки и свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет их функциональные возможности.