СХЕМА ОТСЛЕЖИВАНИЯ И СПОСОБ ДЛЯ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ОРИЕНТАЦИИ РОТОРА ДВИГАТЕЛЯ ВО ВРЕМЯ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА К ПРИВОДУ ДВИГАТЕЛЯ
TRACKING CIRCUIT AND METHOD OF TRACKING ENGINE ROTOR ORIENTATION DURING LOSS OF POWER OF SOURCE TO ENGINE DRIVE

Настоящее изобретение относится к схеме отслеживания и способу для отслеживания ориентации ротора двигателя во время потери мощности источника к приводу двигателя.
Трехфазные бессенсорные, синхронные, синусоидальные приводы двигателя с постоянным магнитом являются обычно используемыми приводами двигателя. С этим типом привода двигателя является требованием, чтобы положение ротора (на котором установлен постоянный магнит) было известно приводу, чтобы трехфазный привод был корректно синхронизирован, т.е. корректно переключался. Пока на двигатель подается мощность, положение ротора может определяться, с использованием отношения фаз между напряжением привода и током привода. Это отношение обычно наблюдается и управляется непрерывно, как только ротор разгоняется "без обратной связи" до подходящей скорости, и затем становится самокоммутирующимся.
Характеристика бессенсорных приводов, однако, состоит в том, что они чувствительны к изменениям в подаче мощности привода. Подача мощности привода должна точно соответствовать характеристикам двигателя, и двигатели легко останавливаются, если имеются нарушения в подаче мощности. Это из-за того, что напряжение и ток должны прикладываться к приводу в соответствии с ориентацией ротора. В бессенсорном приводе, только косвенные данные являются доступными, чтобы показывать положение ротора. Во время самокоммутирующегося вращения ротора привод двигателя имеет эту информацию, но если имеется прерывание в подаче питания и ротор замедляется, привод не знает, где находится ротор, когда мощность обеспечивается снова.
Если нарушение в подаче мощности дает результатом остановку двигателя, когда подача мощности восстанавливается, то необходимо ждать до тех пор, когда ротор придет в состояние покоя, перед тем, как начинать процедуру запуска "без обратной связи", которую эти приводы двигателя требуют.
В случае топливных насосов летательных аппаратов, например, является желательным обеспечивать "горячий перезапуск" - если прерывание питания является достаточно коротким, является желательным, чтобы двигатель набирал скорость снова тогда, когда подача мощности обеспечивается снова, нежели ждал, когда ротор остановится, и затем перезапускался.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, обеспечивается схема отслеживания для отслеживания ориентации ротора двигателя во время потери мощности источника к приводу двигателя, при этом схема содержит:
- хранилище электрической энергии для генерирования сигнала управления приводом во время периодов потери мощности источника;
- синхронизированный по фазе контур, который выполнен с возможностью принимать в качестве входов сигнал управления приводом и наведенный сигнал, генерируемый во время вращения ротора во время периодов потери мощности источника, так что изменения в сигнале управления приводом становятся синхронизированными с изменениями в наведенном сигнале.
Предпочтительно, схема отслеживания выполнена с возможностью отслеживать ориентацию ротора посредством наблюдения наведенного сигнала, генерируемого из непрерывного вращения ротора. Обнаружено, что наведенный сигнал связан с ориентацией ротора и, таким образом, посредством изменения сигнала управления приводом в зависимости от изменения в наведенном сигнале, сигнал управления приводом может применяться в свое время, чтобы обеспечивать "горячий перезапуск", именно перезапуск привода ротора без ожидания сначала, когда ротор прекратит вращаться.
В одном варианте осуществления, синхронизированный по фазе контур выполнен с возможностью синхронизировать частоту сигнала управления приводом с частотой наведенного сигнала и в дополнительном варианте осуществления, синхронизированный по фазе контур выполнен с возможностью или дополнительно выполнен с возможностью синхронизировать фазу сигнала управления приводом с фазой наведенного сигнала.
Предпочтительно, наведенный сигнал содержит сигнал противоэлектродвижущей силы (ЭДС). Отношение фаз между противо-ЭДС двигателя, и сигналом управления приводом измеряется посредством синхронизированного по фазе контура (PLL) с реакцией ошибки фазы типа 1 (именно при постоянной частоте привода, ошибка фазы сводится к нулю). Таким образом, по мере того, как скорость двигателя падает, обеспечивается то, что сигнал управления приводом следует за этим с постоянной или медленно изменяющейся ошибкой фазы, пропорциональной скорости снижения скорости.
Хранилище электрической энергии может содержать конденсатор и в одном варианте осуществления, хранилище электрической энергии или конденсатор выполнено с возможностью сохранять электрическую энергию во время периодов привода ротора.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, обеспечивается компоновка привода многофазного двигателя для обеспечения привода ротора двигателя, при этом компоновка содержит:
- схему управления приводом, которая является электрически соединяемой с двигателем и которая выполнена с возможностью принимать мощность источника для обеспечения вращательного привода ротора;
- схему отслеживания согласно первому аспекту для отслеживания ориентации ротора двигателя во время потери мощности источника к схеме управления приводом, при этом схема отслеживания является электрически соединяемой с двигателем; и,
- схему переключения, содержащую средство наблюдения для наблюдения мощности источника к схеме управления приводом, при этом схема переключения выполнена с возможностью переключать электрическое соединение двигателя между схемой управления приводом и схемой отслеживания в зависимости от наблюдаемой мощности источника к схеме управления приводом.
В одном варианте осуществления, схема переключения выполнена с возможностью наблюдать уровень мощности источника к схеме управления приводом, и переключает электрическое соединение двигателя от схемы управления приводом на схему отслеживания, когда наблюдаемый уровень мощности источника к схеме управления приводом падает ниже порогового значения. Схема переключения дополнительно выполнена с возможностью переключать электрическое соединение двигателя от схемы отслеживания на схему управления приводом, когда наблюдаемый уровень мощности источника к схеме управления приводом поднимается выше некоторого или упомянутого порогового значения. Таким образом, схема переключения выполнена с возможностью наблюдать подачу электроэнергии источника в двигатель, так что во время периодов перебоя питания, схема отслеживания может отслеживать ориентацию ротора, чтобы когда подача мощности восстанавливается, частота привода и фаза мощности привода могли подходящим образом соответствовать ориентации ротора, чтобы обеспечивать горячий перезапуск.
В одном варианте осуществления, схема управления приводом содержит разделитель привода для разделения мощности привода на три сигнала мощности привода, которые отделены по фазе на 120° или п/3 радиан, чтобы обеспечивать подачу 3-фазной мощности в двигатель.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, обеспечивается способ отслеживания ориентации ротора двигателя во время потери мощности источника к приводу двигателя, при этом способ содержит этапы:
- сохранения электрической энергии в хранилище электрической энергии во время периодов мощности источника к приводу двигателя;
- генерирования сигнала управления приводом с использованием электрической энергии из хранилища электрической энергии во время периодов потери мощности источника к приводу двигателя;
- изменения сигнала управления приводом в зависимости от наведенного сигнала, генерируемого вращением ротора во время потери мощности источника к приводу двигателя.
Способ предпочтительно содержит обеспечение сигнала управления приводом и наведенного сигнала в качестве входа в синхронизированный по фазе контур, так что частота и возможно фаза сигнала управления приводом отслеживает частоту и возможно фазу наведенного сигнала.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, обеспечивается способ приведения в движение ротора многофазного двигателя, при этом способ содержит этапы:
- наблюдения подачи мощности источника к схеме управления приводом, которая выполнена с возможностью приводить в движение ротор двигателя;
- переключения электрического соединения двигателя между схемой управления приводом и схемой отслеживания для отслеживания ориентации ротора двигателя во время потери мощности источника к схеме управления приводом в соответствии со способом второго аспекта, в зависимости от наблюдаемой мощности источника.
Один вариант осуществления настоящего изобретения теперь будет описываться только в качестве примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 является схематической иллюстрацией компоновки привода многофазного двигателя, содержащей схему отслеживания согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 является блок-схемой последовательности операций, иллюстрирующей этапы, связанные со способом приведения в движение ротора многофазного двигателя, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержащие способ отслеживания ориентации ротора двигателя во время потери мощности источника к приводу двигателя;
Фиг. 3a является графическим представлением изменения в фазе мощности привода к двигателю во время периода, включающего в себя прерывание мощности;
Фиг. 3b является графическим представлением изменения в скорости ротора во время периода, включающего в себя прерывание мощности; и
Фиг. 3c является графическим представлением изменения частоты сигнала управления DC в VCO с течением времени в течение периода, включающего в себя прерывание мощности.
Как показано на фиг. 1, иллюстрируется схематическая иллюстрация компоновки 10 привода многофазного двигателя для приведения в движение ротора (не показан) многофазного двигателя 11. В проиллюстрированном варианте осуществления, двигатель 11 содержит 3-фазный двигатель и, как таковая, компоновка 10 привода содержит компоновку 3-фазного привода. Компоновка 10 содержит схему 20 управления приводом для приведения в действие двигателя во время периодов подачи мощности источника к схеме управления приводом, и схему 30 отслеживания согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения для отслеживания ориентации ротора двигателя 11 во время периодов потери мощности источника, чтобы, когда подача мощности восстанавливается, приведение в движение ротора могло возобновляться без ожидания сначала, когда ротор прекратит вращаться.
Схема 20 управления приводом содержит устройство 21 сравнения фаз, которое выполнено с возможностью принимать ток двигателя и квадратурный ток на отдельных входных каналах 12, 13. Устройство 21 сравнения измеряет отношение этих сигналов и генерирует ошибку фазы, которая передается в модуль 22, который выполнен с возможностью генерировать сигнал управления напряжением для приведения в действие управляемого напряжением осциллятора 23. Сигнал управления передается в управляемый напряжением осциллятор (VCO) 23 по электрическому пути 24, который электрически соединяет модуль с VCO 23. Путь 24 содержит последовательную компоновку резистора 25 и переключателя S1, последний из которых выполнен с возможностью избирательно соединять VCO 23 с модулем 22. Путь 24 дополнительно содержит конденсатор, размещенный ниже переключателя S1, в параллельной компоновке с путем 24. В проиллюстрированном варианте осуществления, конденсатор 26 подключен на одной стороне к пути 24 и на противоположной стороне к электрической земле.
VCO 23 выполнен с возможностью генерировать сигнал частоты управления приводом в ответ на сигнал управления от модуля 22 и этот сигнал частоты привода проходит в разделитель 27 привода, который выполнен с возможностью разделять сигнал частоты привода на сигнал напряжения привода на трех отдельных каналах "a", "b" и "c", при этом каждый сигнал отделен по фазе на 120° или п/3 радиан. Сигналы мощности привода используются в качестве начальных входов в усилитель 28 мощности, который впоследствии усиливает сигналы напряжения привода для приведения в действие 3-фазного двигателя 11 через три канала A, B и C высокой мощности.
Схема 30 отслеживания, содержащая синхронизированный по фазе контур 31, который выполнен с возможностью принимать в качестве входа на первом канале 32 наведенный сигнал, именно масштабированную противоэлектродвижущую силу, которая генерируется вращением ротора во время периодов потери мощности к схеме 20 управления приводом. Синхронизированный по фазе контур 31 дополнительно выполнен с возможностью принимать в качестве входа на втором канале 33 сигнал напряжения привода, такой как сигнал на канале "a", от разделителя 27 привода. Выход синхронизированного по фазе контура 31 электрически соединен с путем 24, ассоциированным со схемой 20 управления приводом, в положении, которое находится ниже переключателя S1, через последовательную компоновку дополнительного резистора 34 и переключателя S2.
Компоновка 10 привода дополнительно содержит схему 40 переключения, содержащую датчик 41 для наблюдения сигналов входной мощности на каналах A, B и C и выполненную с возможностью избирательно переключать состояние переключателей S1 и S2 в зависимости от наблюдаемого уровня входной мощности.
Компоновка дополнительно содержит хранилище 50 электрической энергии, которое выполнено с возможностью обеспечивать мощность в электронику, ассоциированную со схемой 20 управления приводом и схемой 30 отслеживания, во время периодов потери мощности источника в двигатель 11, или когда уровни мощности источника падают ниже порогового значения. В проиллюстрированном варианте осуществления, хранилище 50 электрической энергии может содержать конденсатор 51 или набор конденсаторов, который выполнен с возможностью сохранять электрическую энергию во время периодов мощности источника в двигатель 11 и который выполнен с возможностью медленно разряжаться, чтобы приводить в действие электронику схемы 20 управления приводом и схемы отслеживания во время периода, следующего за прерыванием подачи мощности источника.
Как показано на фиг. 2a, проиллюстрирован способ 100 приведения в действие ротора многофазного двигателя. Во время нормальной работы привода двигателя 11, переключатель S1 является закрытым и переключатель S2 является открытым. Сигналы тока привода на входных каналах 12, 13 сравниваются на этапе 110 с использованием устройства 21 сравнения фаз, и сигнал ошибки фазы, сгенерированный посредством устройства 21 сравнения, передается в модуль 22 на этапе 120, чтобы генерировать сигнал управления напряжением на этапе 130. Сигнал управления зависит от ошибки фазы и используется, чтобы приводить в действие VCO 23. Во время нормальной работы, сигнала управления дополнительно выполнен с возможностью заряжать конденсатор 26 на этапе 140, так что электрическая энергия становится сохраненной внутри конденсатора 26 и напряжение на этом конденсаторе является входом управления в VCO 23. VCO 23 выполнен с возможностью генерировать сигнал частоты привода на этапе 150 в зависимости от сигнала управления, и этот сигнал частоты привода впоследствии передается в разделитель 27 привода, который генерирует три сигнала мощности привода, которые отделены по фазе на 120° или п/3 радиан, на этапе 160. Эти сигналы мощности привода затем усиливаются на этапе 170 посредством усилителя 28 для последующего приведения в движение ротора (не показан) двигателя 11 на этапе 180.
Во время периодов подачи мощности источника к схеме 20 управления приводом, подача мощности источника дополнительно выполнена с возможностью заряжать хранилище электрической энергии, именно конденсатор 51, так что электрическая энергия становится сохраненной там.
Как показано на фиг. 2b, проиллюстрированы этапы способа 200 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения для отслеживания ориентации ротора двигателя 11 во время потери мощности источника к приводу двигателя. В случае, когда входная мощность к схеме 20 управления приводом прерывается, или в обстоятельствах, в силу которых уровни мощности источника на каналах мощности A, B и C падают ниже порогового значения, тогда схема 40 переключения выполнена с возможностью размыкать переключатель S1 и замыкать переключатель S2 на этапе 210, чтобы активировать схему 30 отслеживания. Во время этого переключения, конденсатор 26 обеспечивает непрерывность сигнала управления напряжением, пока S1 открыт и S2 закрыт, после чего энергия из хранилища 50 электрической энергии может продолжать использоваться, чтобы обеспечивать сигнал управления в VCO 23, чтобы поддерживать генерирование сигналов напряжения привода на этапе 230. Во время этого периода прерывания мощности источника ротор будет продолжать двигаться, хотя с постепенным уменьшением угловой скорости и это непрерывное вращение генерирует противо-ЭДС, которая передается в синхронизированный по фазе контур 31, в дополнение к сигналу мощности привода из канала "a" на этапе 240. Синхронизированный по фазе контур 31 впоследствии генерирует напряжение DC на конденсаторе 26, которое регулируется, чтобы удерживать малую или нулевую разность фаз между противо-ЭДС и сигналом на канале "a", на этапе 250.
Синхронизированный по фазе контур 31 содержит реакцию ошибки фазы типа 1, которая является детектором пересекающей нуль фазы, чей выход (разность фаз или ошибка) используется, чтобы заряжать или разряжать конденсатор 26 в зависимости от того, является ли фаза сигнала мощности привода ранней или поздней по отношению к противо-ЭДС двигателя. Действие этого является обратной связью, которая активно отслеживает положение ротора. Дополнительно, не имеет значения насколько нагрузка или инерция изменяется, чтобы уменьшать угловое замедление ротора, положение ротора будет отслеживаться. Однако следует понимать, что имеется верхний предел на максимальную скорость замедления, которое может отслеживаться, так как схема 30 отслеживания требует, чтобы было, по меньшей мере, приблизительно десять циклов противо-ЭДС ротора, в соответствии с временем, затрачиваемым, чтобы угловая скорость упала до приблизительно 20% начальной скорости. Это не трудно удовлетворить в практических системах и для скорости замедления, которая превосходит его, является маловероятным, что требование для "горячего перезапуска" будет существовать. Таким образом, в зависимости от верхнего предела на скорость замедления скорости ротора, которое может отслеживаться, схема 30 отслеживания в противном случае является нечувствительной к нагрузке или инерции для успешной работы.
Этим способом, сигнал частоты привода удерживается в синхронизме с положением ротора, чтобы, когда подача мощности в схему 20 управления приводом восстанавливается и схема 40 переключения переключает состояние переключателей S1 и S2, чтобы замкнуть S1 и разомкнуть S2 на этапе 260, привод переключается назад на его конфигурацию нормальной работы и напряжение DC управляет частотой привода уже на корректном уровне, в соответствии со скоростью ротора, возможно с конечной статической ошибкой фазы.
Как показано на фиг. 3 чертежей, проиллюстрирована последовательность траекторий, иллюстрирующих изменение в ошибке фазы, угловой скорости ротора и сигнале управления напряжением в течение временного периода, включающего в себя потерю мощности к схеме управления приводом. Согласно показанному на фиг. 3a-c является очевидным, что в момент времени t=0.36 с, входная мощность в схему управления приводом исчезает или иным образом падает ниже порогового значения, что служит причиной того, что схема 40 переключения размыкает переключатель S1 и замыкает переключатель S2, и скорость ротора начинает уменьшаться. Сигнал управления следует за уменьшением скорости ротора, в силу синхронизации входного сигнала управления приводом "a" с противо-ЭДС. Когда подача мощности восстанавливается и скорость двигателя начинает увеличиваться снова, имеется "разбрызгивание" в приводе постоянного тока и ошибке фазы привода, но ошибка фазы устанавливается.
Из предшествующего, поэтому является очевидным, что компоновка 10 привода и схема 30 отслеживания обеспечивает возможность приводу перезапускаться и достигать фазовой синхронизации немедленно после того, как входная мощность восстанавливается, следуя за потерей входной мощности и падением в скорости двигателя.