Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING AC CONVERTER-FED MOTOR AND A SERVO SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к управляемым электрическим двигателям, в частности к классу вентильных двигателей (бесколлекторных двигателей постоянного тока - БДПТ), бесконтактных моментных приводов (БМП) на базе двухфазных синхронных электрических двигателей бесконтактных моментных (ДБМ), и может найти применение вместо коллекторного привода постоянного тока, например, в следящих системах автоматического управления и регулирования.
Известны способы управления вентильным двигателем бесконтактным моментным, основанные на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в двухфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя и формировании из него двухфазного напряжения питания двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него двухфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону [Ю.М. Беленький и др. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. - Л.: ЛДНТП, 1987, стр. 3-7].
Такой способ управления позволяет получить характеристики вентильного двигателя аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, однако вентильный двигатель при этом имеет пульсации момента, что затрудняет получение низких скоростей вращения.
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 двухфазный электрический сигнал датчика положения ротора двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании из него двухфазного напряжения питания двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону [И.Е. Овчинников: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА-Век, 2006, стр. 228-230].
Такой способ управления позволяет устранить указанные недостатки, обеспечивая плавное и широкое регулирование скорости вентильного двигателя, малые пульсации момента и высокий к.п.д. Однако фазные токи (момент) вентильного двигателя отрабатываются при таком способе управления не оптимально по точности и быстродействию.
Известны схемы вентильных двигателей, содержащие двухфазный синхронный двигатель, подключенный к выходу двухфазного преобразователя, который подводит напряжение к фазам статора, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, датчик положения ротора синхронного двигателя, например синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), выход которого связан с входом преобразователя, а на вход (обмотку возбуждения) подается сигнал управления [Ю.М. Беленький и др. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. - Л.: ЛДНТП, 1987, стр. 3-7].
Такой вентильный двигатель позволяет получить характеристики, аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока, однако непостоянство момента за один оборот вала затрудняет получение низких скоростей вращения.
Из известных вентильных двигателей наиболее близким по технической сущности является вентильный двигатель, который взят в качестве прототипа для заявляемого устройства. Данный вентильный двигатель содержит двухфазный синхронный двигатель, подключенный к выходу двухфазного преобразователя, среднее значение выходного напряжения которого изменяется по синусоидальному закону, двухфазный датчик положения ротора синхронного двигателя (СКВТ), обмотка возбуждения которого соединена с выходом модулятора, на вход модулятора подается напряжение управления, выход двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя подключен к входу двухфазного демодулятора, а выход двухфазного демодулятора соединен со входом преобразователя [А.Ю. Афанасьев. Моментный электропривод. - Казань: Изд-во Казан. Гос. Ун-та, 1997. - стр. 22-24].
Такой вентильный двигатель позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить плавное и широкое регулирование скорости, малые пульсации момента и высокий к.п.д. Однако фазные токи (момент) вентильного двигателя отрабатываются схемой не оптимально по точности и быстродействию.
Технической задачей изобретения является получение оптимальной точности и быстродействия регулятора фазных токов (момента) вентильного двигателя и характеристик вентильного двигателя, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока.
Техническая задача решается тем, что в известном способе управления вентильным двигателем, основанным на преобразовании угла поворота вала синхронного двигателя в двухфазный электрический сигнал датчика положения ротора синхронного двигателя, амплитуда которого пропорциональна сигналу управления, и формировании двухфазного напряжения питания синхронного двигателя, среднее значение которого изменяется по синусоидальному закону, двухфазное напряжение питания синхронного двигателя формируют из знака разности сигнала двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя и сигнала двухфазного датчика тока синхронного двигателя.
Следящая система, содержащая последовательно соединенные модулятор, двухфазный датчик положения ротора синхронного двигателя, двухфазный демодулятор, двухфазный преобразователь, двухфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя. В нее дополнительно введены двухфазное реле, двухфазный датчик тока синхронного двигателя и двухфазный сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом двухфазного демодулятора, а вычитающий вход с выходом двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, выход двухфазного сумматора соединен с входом двухфазного реле, выход двухфазного реле соединен с входом двухфазного преобразователя, выход которого соединен с токовым входом двухфазного датчика тока, а токовый выход двухфазного датчика тока соединен с синхронным двигателем.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема следящей системы, реализующей способ оптимального по точности и быстродействию управления токами (моментом) вентильного двигателя.
Система содержит модулятор 1, выход которого соединен со входом двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 2, сигнал с которого (с синусной и косинусной обмоток СКВТ) поступает на двухфазный демодулятор 3 (3а, 3b), выход двухфазного демодулятора соединен с первым суммирующим входом двухфазного сумматора 4 (4а, 4b), результирующий сигнал с выхода двухфазного сумматора поступает на двухфазное реле 5 (5а, 5b), выход двухфазного реле 5 подключен к входу двухфазного преобразователя 6, выход двухфазного преобразователя 6 соединен со входом двухфазного датчика тока синхронного двигателя 7 (7а, 7b), его токовый выход соединен с входом двухфазного синхронного двигателя 8, ротор которого механически соединен с валом двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя 2, второй вычитающий вход двухфазного сумматора 4 соединен с выходом двухфазного датчика тока синхронного двигателя 7.
Предлагаемый способ реализуется в работе системы.
Данный способ может быть использован в любой следящей системе с вентильным двигателем вместо коллекторного двигателя постоянного тока.
Для пояснения способа воспользуемся уравнениями синхронного двигателя в координатах d, q [А.Ю. Афанасьев. Моментный электропривод. - Казань: Изд-во Казан. Гос. Ун-та, 1997. - стр. 22-24] для синхронного двигателя с одной парой полюсов:
d
d
d
где u, i, L - напряжение, ток и индуктивность по продольной оси двигателя;
q
q
q
u, i, L - напряжение, ток и индуктивность по поперечной оси двигателя;
R - активное сопротивление фаз двигателя;
m
Φ - максимальное потокосцепление фазы обмотки якоря с потоком ротора-индуктора;
ω - частота вращения ротора;
0
ϑ - угол поворота ротора, υ=∫ωdt+υ;
J - момент инерции вращающихся масс,
эм
m - электромагнитный момент вращения вала двигателя;
н
m - момент нагрузки на валу двигателя;
A
B
A
B
u, u, i, i - напряжения и токи фаз двигателя.
d
q
d
q
Из уравнений (1) следует, что синхронный двигатель представляет собой объект регулирования с двумя управляющими воздействиями: u и u. 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 оптимальные по точности и одновременно оптимальные по быстродействию законы управления для регуляторов токов 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
Переменные в координатах d, q выражаются через переменные в реальных координатах А, В посредством соотношений (2), (3). Например, фиктивным токам i, i соответствуют реальные фазные токи i, i.
dзад
d
qзад
q
Aзад
A
Bзад
B
Воспользовавшись соотношениями (3), найдем, что разностям k⋅i-k⋅i и k⋅i-k⋅i соответствуют разности k⋅i-k⋅i, k⋅i-k⋅i каждой фазы двигателя и оптимальным управлениям (4), (5) в координатах d, q соответствуют фазные управления:
Обозначим:
Из формул (6), (7) следует, что рассматриваемый способ требует двухфазного задатчика тока (датчика положения ротора), двухфазного датчика тока двигателя и двухфазного реле.
Предлагаемый способ реализуется в следящей системе с вентильным двигателем, содержащей последовательно соединенные модулятор, двухфазный датчик положения ротора синхронного двигателя и двухфазный демодулятор, двухфазный преобразователь, двухфазный синхронный двигатель, ротор которого механически соединен с валом двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя. В следящую систему дополнительно введены двухфазное реле, двухфазный датчик тока синхронного двигателя и двухфазный сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом двухфазного демодулятора, а вычитающий вход с выходом двухфазного датчика положения ротора синхронного двигателя, выход двухфазного сумматора соединен с входом двухфазного реле, выход двухфазного реле соединен с входом двухфазного преобразователя, выход которого соединен с токовым входом двухфазного датчика тока синхронного двигателя, а токовый выход двухфазного датчика тока синхронного двигателя соединен с синхронным двигателем.
Система работает следующим образом.
BX
вх
Входное напряжение U (сигнал управления) преобразуется модулятором 1 в напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (500-20000 Гц) с амплитудным значением, равным U, и подается на обмотку возбуждения датчика положения ротора 2, например синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), ротор которого механически соединен с ротором синхронного двигателя. Сигнал с выходных обмоток СКВТ подается на двухфазный демодулятор 3, на выходе которого появляется напряжение задания на оптимальный регулятор:
1
где k - общий коэффициент преобразования модулятора, датчика положения ротора синхронного двигателя и демодулятора;
θ - угол установки датчика положения ротора синхронного двигателя относительно ротора синхронного двигателя.
A
B
Посредством двухфазного сумматора 4 из двухфазного напряжения (9) с выхода демодулятора вычитается двухфазное напряжение, получаемое от двухфазного датчика тока синхронного двигателя 7, и подается на вход двухфазного реле 5, выходной сигнал которого подается на вход двухфазного преобразователя 6, на выходе двухфазного преобразователя 6 появляется двухфазное напряжение u, u, изменяющееся в соответствии с оптимальным законом управления (6)-(8). В качестве двухфазного преобразователя в схеме используются, например, два однофазных моста, каждый из четырех транзисторов (тиристоров) однофазного моста работают в ключевом режиме.
дзад
qзад
Воспользовавшись соотношениями (2), (9), найдем u и uрегуляторов (4) и (5), соответствующие заданиям (9):
При этом оптимальные управления (4), (5) примут вид:
d
d
d
Из (12) следует, что при установке датчика положения ротора в нулевое положение (θ=0) регулятор тока i стабилизирует ток i на нулевом уровне оптимально по быстродействию и поддерживает его оптимально по точности так, что i=0. При этом уравнения (6), (7) с учетом (8)-(10) при θ=0 приводятся к виду:
По уравнениям (14) построена структурная схема (см. фиг. 1).
Уравнения (1) с учетом (12), (13) при θ=0 преобразуются к виду:
q
Полученные уравнения приводят к следующим выводам. Во-первых, дифференциальные уравнения (15) полностью аналогичны дифференциальным уравнениям коллекторного двигателя постоянного тока. Следовательно, и статические и динамические характеристики при управлении вентильным двигателем по предлагаемому способу полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Во-вторых, поскольку из третьего уравнения (15) следует, что ток i пропорционален электромагнитному моменту, то регулятор тока (16) является одновременно и регулятором момента. То есть при таком способе управления вентильным двигателем он приобретает дополнительно свойства оптимального по быстродействию и одновременно оптимального по точности моментного двигателя.
Точность работы современных систем автоматического регулирования обычно ограничивается ошибкой системы. Предлагаемый способ позволяет свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет их функциональные возможности.
Таким образом, предлагаемый способ и система позволяют получить оптимальный по точности и быстродействию регуляторы фазных токов (момента) вентильного двигателя и характеристики вентильного двигателя, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока.