ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД
ELECTRIC FOLLOWER DRIVE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах регулирования.
Известны электроприводы, выполненные на синхронном исполнительном двигателе с пристроенными к нему датчиком положения и датчиком скорости, в частности, в виде синхронного генератора, с электронными преобразователями их сигналов и усилителями мощности [1].
Известны также электроприводы с объединенными цепями входных и выходных сигналов датчиков положения и скорости [2].
Недостатком таких схем является сложность конструкции и разделения сигналов датчиков положения и скорости.
Наиболее близким к предложенному решению является электрический следящий привод, содержащий исполнительный механизм, включающий в себя синхронный двигатель с зубцовым статором, синхронный генератор и датчик положения магнитного потока ротора; электронный блок управления, включающий входной каскад с первым узлом сравнения, предварительный каскад с многофункциональным входом и усилитель мощности; датчик тока каждой фазы синхронного двигателя; основной источник питания; дополнительный источник питания со средним выводом и преобразователь сигналов синхронного генератора, выход которого подключен к первому узлу сравнения, а выход входного каскада связан с первым входом предварительного каскада [3.]
Недостатком указанного электропривода является сложность как конструкции датчика положения и исполнительного механизма в целом, так и схем формирования сигналов датчика положения и скорости вращения, а также усилителя мощности. Кроме того, привод замкнут по скорости и регулировать угловое положение объекта не представляется возможным. Это ограничивает область применения указанного привода.
Технический результат данного предложения заключается в упрощении конструкции исполнительного механизма и электронной схемы привода, а также расширении области применения.
Указанный технический результат достигается тем, что электрический следящий привод, содержащий исполнительный механизм, включающий в себя синхронный двигатель с зубцовым статором, синхронный генератор и датчик положения магнитного потока ротора; электронный блок управления, включающий входной каскад с первым узлом сравнения, предварительный каскад с многофункциональным входом и инициирующий усилитель мощности, питающийся от основного источника постоянного тока; датчик тока каждой фазы синхронного двигателя; дополнительный источник питания со средним выводом и преобразователь сигналов синхронного генератора, выход которого подключен к первому узлу сравнения, а выход входного каскада связан с первым входом предварительного каскада, дополнительно содержит: входное устройство, состоящее из последовательно соединенных пропорционально-дифференцирующего звена, второго узла сравнения и интегро-пропорционального звена; устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада; формирователь знака входного сигнала; переключатель порядка чередования фаз с дополнительным входом; преобразователь выходных сигналов датчиков тока каждой фазы синхронного двигателя; блок контроля сигнала ошибки; датчик тока потребления усилителя мощности и устройство блокировки; механическую передачу с выходным штоком, встроенную в исполнительный механизм; приборный редуктор и связанный с ним датчик положения выходного штока с питающим генератором и преобразователь сигналов датчика положения выходного штока; при этом исполнительный механизм выполнен на базе трехфазного синхронного двигателя, а усилитель мощности выполнен в виде трехфазного мостового инвертора; датчик положения магнитного потока ротора выполнен в виде трех микросхем с датчиками эдс Холла, каждая из микросхем размещена под зубцом одной из фаз трехфазной обмотки синхронного генератора; обмотки синхронного генератора размещены на трех соседних зубцах, свободных от обмоток трехфазного синхронного двигателя, и соединены на звезду, общая точка которых подключена к среднему выводу дополнительного источника питания; преобразователь сигналов синхронного генератора выполнен на электронных ключах, входы которых через резисторы подключены к выходу синхронного генератора, выходы электронных ключей объединены и образуют выход преобразователя сигналов синхронного генератора, а управляющие цепи электронных ключей подсоединены к выходу соответствующих микросхем датчика положения магнитного потока ротора; причем выход входного устройства подключен ко входу входного каскада, связь которого с первым входом предварительного каскада осуществляется через устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада, а со вторым входом предварительного каскада осуществляется через формирователь знака и переключатель порядка чередования фаз; при этом дополнительный вход переключателя порядка чередования фаз связан с выходом преобразователя сигнала датчика положения магнитного потока ротора, выход преобразователя выходных сигналов датчиков тока каждой фазы подсоединен к третьему входу предварительного каскада, четвертый вход которого через устройство блокировки связан с блоком контроля ошибки и датчиком тока потребления усилителя мощности, причем выход датчика положения штока через преобразователь сигналов датчика положения штока связан с входом второго узла сравнения входного устройства. Кроме того, преобразователь сигналов датчиков тока фаз трехфазного синхронного двигателя выполнен в виде последовательно соединенных для каждого датчика тока резистора и диода, при этом свободные концы диодов подключены к выходной обмотке соответствующего датчика тока; свободные концы резисторов объединены и образуют выход преобразователя сигналов датчиков тока, а свободные концы выходных обмоток датчиков тока подсоединены к среднему выводу дополнительного источника питания, причем механическая передача выполнена в виде шарико-винтовой пары, а приборный редуктор выполнен по безлюфтовой схеме с использованием разрезных подпружиненных шестерен.
На фиг.1 представлена структурная схема электрического следящего привода; на фиг.2 - магнитопровод синхронного двигателя с синхронным генератором и датчиком положения магнитного потока ротора, которые объединены в исполнительный агрегат (ИА); на фиг.3 - схема преобразователя сигналов синхронного генератора; на фиг.4 - схема усилителя мощности с датчиком тока; на фиг.5 - схема входного устройства.
1
6
Привод (фиг.1) содержит исполнительный механизм (ИМ), включающий в себя: исполнительный агрегат (ИА), состоящий из синхронного двигателя (СД) - 1, датчика положения магнитного потока ротора (ДППР) - 2 и синхронного генератора (СГ) - 3; силовой редуктор (СР) - 4, выполненный на основе шарико-винтовой передачи (ШВП) с выходным штоком (Ш) - 5, приборный редуктор (ПР) - 6 и датчик положения выходного штока (ДПШ) - 7, а также - электронную схему, в которую входят: питающий генератор (ПГ) - 8; преобразователь сигналов синхронного генератора (ПССГ) - 9; преобразователь сигналов датчика положения магнитного потока ротора (ПСДППР) - 10; входное устройство (ВУ) - 11 с пропорционально-дифференцирующим - 12 и интегропропорциональным - 13 звеньями, связанными между собой через второй узел сравнения - 14; входной каскад - 15 (с первым узлом сравнения на входе); устройство - 16 выделения амплитуды входного сигнала; формирователь знака - 17 входного сигнала; переключатель порядка чередования фаз - 18 входных сигналов предварительного каскада (ПК) - 19 (содержащий в том числе узел сравнения, логический преобразователь (ЛП) и драйвер). В привод также входит усилитель мощности - 20, выполненный как трехфазный мостовой инвертор (на шести ключах K÷К, см. фиг.4); преобразователь - 21 выходного тока (ПВТ) инвертора с блоком датчиков тока на входе - 22; блок контроля - 23 выходного сигнала (сигнала ошибки) входного устройства - 11; датчик тока потребления инвертора - 24, устройство блокировки - 25; преобразователь - 26 выходного сигнала ДПШ - 7; основной - 27 и дополнительный - 28 (со средним выводом - 29) источники питания.
д
г
г
д
г
Трехфазный исполнительный агрегат (ИА) выполнен на едином магнитопроводе (фиг.2) с 36-ю пазами (и зубцами) на статоре - 30 при 24 полюсах на роторе - 31. В 33-х пазах размещена трехфазная силовая обмотка синхронного двигателя (W) - 32, а на трех соседних зубцах, свободных от обмоток синхронного двигателя, размещена трехфазная обмотка синхронного генератора (W) - 33. Выделение отдельных пазов под обмотку W уменьшает взаимоиндуктивную связь обмоток W и W и дает возможность разместить на этих зубцах три микросхемы 34, 35, 36 с датчиками ЭДС Холла, которые и образуют датчик положения магнитного потока ротора (ДППР) исполнительного агрегата ИА. Такая конструкция ИА (в сочетании с зубцовым шагом обмотки статора и многополюсным ротором синхронного двигателя) обеспечивает высокое быстродействие привода при хороших весогабаритных показателях и дает возможность получить широкую полосу пропускания, а следовательно, - большой коэффициент усиления привода.
Преобразователь сигналов синхронного генератора - 9 (фиг.3) построен по схеме однополупериодного синхронного детектора тока, причем для обеспечения синфазности напряжения фаз синхронного генератора и моментов переключения электронных ключей 37, 38, 39 (учитывая, что магнитный поток, управляющий ключами посредством микросхем 34, 35, 36, сдвинут по отношению к фазе напряжения синхронного генератора на 90° эл.) к каждому ключу подсоединены по два резистора с выходов разных фаз синхронного генератора для создания дополнительного сдвига фаз на 30° эл. (с целью получения необходимого угла в 120°=90°+30°). Причем в случае сложения тока фаз (фиг.3), а не напряжений, пульсации выходного тока при однополупериодном детектировании определяются 6-й гармоникой выпрямляемого тока так же, как и при двухполупериодном выпрямлении.
Такое упрощенное построение преобразователя - 9 дает возможность упростить и обмотки синхронного генератора, то есть использовать не шесть, а только три полуобмотки (по одной на каждую фазу СГ) и три, а не шесть ключей, а также шесть, а не двенадцать резисторов.
Выполнение усилителя мощности - 20 в виде трехфазного мостового инвертора (фиг.4) на шести силовых ключах (против восьми ключей при двухфазном варианте прототипа) упрощает схему привода.
Преобразователь выходного тока инвертора - 21 выполнен (фиг.4) по схеме трехфазного однополупериодного выпрямителя тока (аналогично схеме синхронного детектора на фиг.3). Это обеспечивает формирование амплитуды выходных токов с коэффициентом передачи К=1 и упрощает схему.
Преобразователь сигналов датчика положения магнитного потока ротора - 10 выполнен на шести логических элементах (типа серии 1533) - по два включенных последовательно на каждую фазу датчика. Преобразователь обеспечивает формирование шести управляющих сигналов для ключей инвертора.
α1
α
α
α1
α2
Входное устройство - 11 (фиг.1) содержит пропорционально-дифференцирующий контур (звено 12) в цепи сигнала задания (U) на пассивных элементах 40, 41, 42 (фиг.5) и узел сравнения (14) на операционном усилителе 43 интегро-пропорционального звена (13) в цепи сигнала ошибки Δi≡ΔU=U-U (элементы 44, 45 на фиг.5).
Это обеспечивает увеличение коэффициента усиления привода в рабочем диапазоне частот и подавление высокочастотных помех на выходе входного устройства.
у
α
Ω
Входной каскад - 15 (фиг.1) помимо узла сравнения содержит усилитель, на выходе которого образуется напряжение U=ΔU-U.
уm
у
Устройство выделения амплитуды входного сигнала - 16 (фиг.1) содержит схему выпрямления, на выходе которой образуется амплитудное значение (U) сигнала U.
у
у
Формирователь - 17 знака (фиг.1) сигнала U (sign U) содержит логическую схему (на элементах типа серия 1533) с компаратором на выходе. Схема формирует сигнал управления для переключателя 18 порядка чередования фаз выходного тока инвертора - 20 (ABC или АСВ). Переключатель - 18 содержит набор электронных ключей, подсоединенных своим входом к формирователю 17.
m
уm
Tm
Предварительный каскад 19 (фиг.1) кроме узла сравнения, на выходе которого образуется сигнал ΔU=U-U, содержит логический преобразователь (например, на элементах типа 1533), а также драйвер (например, типа IR2130), управляющий силовыми ключами (в частности типа IGBT) мостового инвертора.
α
Блок контроля 23 (фиг.1) содержит компараторы с дискретным выходом, формирующие, наряду с датчиком тока - 24, сигналы управления для устройства блокировки - 25 при превышении величинами ΔU и Iп заданного значения.
Устройство блокировки 25 выполнено с использованием электронных ключей.
В качестве датчика положения штока (ДПШ) - 7 здесь используется датчик угла типа 2,5БВТ, запитанный напряжением повышенной частоты от питающего генератора (ПГ) - 8, выполненного на операционном усилителе [4].
Преобразователь сигналов - 26 ДПШ (ПСДПШ) выполнен на основе фазочувствительного выпрямителя с опорным напряжением, поступающим от ПГ-8.
α1
у
Электрический следящий привод работает следующим образом: при подаче на вход входного устройства 11 сигнала U он попадает (через входной каскад 15 и устройство выделения амплитуды 16) на вход предварительного каскада и посредством драйвера инициирует включение соответствующих силовых ключей мостового инвертора в разных стойках моста (одного верхнего и одного нижнего), обеспечивая впоследствии шестишаговое управление силовыми ключами. При этом на выходе инвертора образуется ток, питающий синхронный двигатель, который начинает вращаться. Порядок включения силовых ключей определяется знаком сигнала U и датчиком положения магнитного потока ротора (посредством устройств 17, 18 и 10).
Наличие обратной связи по амплитуде силового тока, организованной посредством датчиков тока блока 22 и преобразователя токов 21, обеспечивает моментное управление синхронным двигателем в режиме вентильного привода.
α2
α1
α
1
2
Вращение исполнительного агрегата ИА будет продолжаться до тех пор, пока напряжение U не станет равным U (полагая при большом коэффициенте усиления привода ΔU=0). Тогда при соответствующих величинах коэффициента редукции механической передачи (силового и приборного редукторов 4 и 6), коэффициента преобразования датчика положения 7 штока 5 и коэффициента передачи фазочувствительного выпрямителя 26, и величины α и α будут равны между собой.
α1
В том случае, когда знак входного сигнала U изменится на противоположный, формирователь знака 17 выдает сигнал на переключение порядка чередования фаз устройству 18 и оно изменит порядок переключения ключей инвертора 20 (через блок 19), обеспечив смену порядка чередования фаз, например с ABC на АСВ.
α
п
Если величина ΔU или величина тока питания I инвертора в процессе работы превысит установленное заранее значение, блок контроля - 23 или датчик тока - 24, соответственно, выдаст сигнал устройству блокировки - 25 и последнее «заморозит» состояние силовых ключей инвертора и заблокирует тем самым дальнейшее перемещение штока - 5, обеспечив поддержание штока в данном положении.
Это особенно важно в многоприводных системах, в частности в системах управления положением интерцепторов быстроходных катеров.
Такое выполнение электрического следящего привода позволяет расширить область применения привода, т.е. использовать его и в позиционных системах управления, упростить как конструкцию исполнительного агрегата, так и электронную схему управления. При этом обеспечивается (за счет расширения полосы пропускания) высокий коэффициент усиления в приводе, а следовательно, и высокая точность отработки входного сигнала. Кроме того, в приводе существенно уменьшено запаздывание в отработке входного сигнала, что дало возможность обеспечить работу на более высоких частотах без потери точности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1418879, кл. Н02Р 6/02, 1988 г.
2. Авторское свидетельство СССР №1297186, кл. Н02К 29/06, 1987 г.
3. Авторское свидетельство СССР №2087068, кл. Н02Р 6/00, Н02К 29/14, Н02Р 6/06, 1997 г.
4. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М., Энергоатомиздат, 1987 г.