ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1996 года по МПК H02P6/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулирования скорости вращения или углового положения нагрузки.

Известны электроприводы переменного тока с исполнительными двигателями, снабженными измерителями потока в виде элементов (датчиков Холла) [1]
Наиболее близким к предложенному является электропривод, содержащий m-фазный синхронный двигатель с трехфазной системой датчиков Холла и соединенный с фазными обмотками двигателя m-фазный преобразователь частоты с блоком управления на сигнальном входе [2]
Недостатком известных схем является влияние разбросов и нестабильности параметров датчиков Холла на величину выходного сигнала измерителя потока двигателя, что в конечном счете отрицательно влияет на качество регулирования (изменяется коэффициент усиления, может возникнуть пульсация момента, скорости и т. д.).

Целью изобретения является повышение качества управления за счет исключения влияния разброса и дрейфа параметров датчиков Холла на выходной сигнал измерителя углового положения потока (и ротора двигателя) и приближение зависимости его выходной характеристики к синусоидальной функции.

Указанная цель достигается тем, что в электропривод введены последовательно соединенные трехфазный блок формирователей прямоугольных сигналов и блок аппроксиматоров, входы блока формирователей связаны с выходами соответствующих датчиков Холла, а выходы блока аппроксиматоров связаны с частотным входом преобразователя частоты, причем блок аппроксиматоров содержит П-образную резистивную схему в каждой фазе и общий инвертирующий операционный усилитель, к входу которого подключены свободные концы входных резисторов, а к выходу свободные концы выходных резисторов П-образных схем, входы и выходы которых образуют входы и выходы блока аппроксиматоров, а соотношение коэффициентов передачи по продольной цепи каждой П-образной схемы и параллельной ей цепи, включающей инвертирующий операционный усилитель, равно 3:1, для чего, например, резисторы П-образной схемы выполнены с равными сопротивлениями, а коэффициент передачи инвертирующего усилителя выбран равным одной трети.

Кроме того, во-первых, выходы блока аппроксиматоров соединены с соответствующими входами преобразователя частоты через блок коррекции, содержащий интегрирующие фильтры, входы которых соединены с соответствующими выходами введенного датчика скорости, выполненного на синхронном генераторе, и, во-вторых, в электропривод введены вторые последовательно включенные трехфазный блок формирователей прямоугольных сигналов и блок аппроксиматоров, а двигатель снабжен второй трехфазной системой датчиков Холла, размещенной под углом в 30^о по отношению к первой системе, причем выходы датчиков Холла второй системы соединены с входами второго блока формирователей прямоугольного напряжения, а выходы фаз второго блока аппроксиматоров связаны с выходами соответствующих фаз первого блока аппроксиматоров.

На фиг. 1 представлен вариант блок-схемы электропривода с трехфазным преобразователем частоты, а также с трехфазным синхронным генератором (в общем случае число фаз может быть и другим); на фиг. 2 приведены осциллограммы напряжений на входе и выходе блока аппроксиматоров, а также на выходе инвертирующего усилителя.

Электропривод содержит электродвигатель с фазными обмотками 1 и трехфазную систему датчиков Холла 2, размещенных на корпусе двигателя под углом 120^о, связанный с выходом датчиков Холла блок формирователей прямоугольных сигналов 3 (выходные транзисторные ключи которого в совокупности с датчиками Холла образуют по существу датчики полярности потока машины), преобразователь частоты 4, содержащий фазные преобразователи 5, блок управления 6, связанный с сигнальным входом преобразователя частоты, схему сравнения 7, связанную выходом с входом блока управления, блок задания сигнала управления 8 (в данном случае потенциометр R) связанный с первым входом схемы сравнения, блок аппроксиматоров 9, содержащий три (по числу фаз системы датчиков) П-образные схемы на резисторах 10-12 с поперечными (входными 10 и выходными 12) резисторами и продольным (расположен в продольной цепи) разделительным резистором 11, а также общий инвертирующий операционный усилитель 13, связанный с выходом блока 9 блок коррекции 14, содержащий три интегрирующих фильтра на операционных усилителях 15, выход которого связан с частотным входом преобразователя частоты 4, синхронный генератор с выходными обмотками 16 (размещены в данной схеме на магнитопроводе синхронного двигателя), блок преобразования 17 напряжения синхронного генератора, связанный выходом со вторым входом схемы сравнения 7.

Электропривод работает следующим образом. При подаче сигнала управления с выхода блока задания 8 на вход блока управления 6 (через схему сравнения 7) преобразователь частоты 4 вырабатывает токи для питания обмоток 1 синхронного двигателя. Последний начинает вращаться и коммутировать датчики Холла 2 и соответственно транзисторные ключи формирователей прямоугольных сигналов 3. При этом на их выходе образуется напряжение прямоугольной формы с постоянной составляющей (U₁, U₂, U₃ на фиг. 2), которое в таком виде непригодно для управления двигателем (в частности, посредством преобразователя частоты 4). Для исключения постоянной составляющей и приближения зависимости величины выходного напряжения измерителей потока от угла поворота ротора к синусоидальной функции напряжения с выходов формирователей 3 подаются на входы блока аппроксиматоров 9. В данном случае эти напряжения через входные резисторы 10 П-образных схем поступают на вход инвертирующего операционного усилителя 13, где суммируются. На выходе инвертирующего усилителя 13 образуется постоянная составляющая напряжения с наложенным на нее напряжением третьей гармоники (U₄ на фиг. 2). Это напряжение через выходные резисторы 12 подается на выход блока аппроксиматоров 9, куда также подаются (через продольную цепь, включающую разделительные резисторы 11) напряжения с выходов формирователей 3. При соотношении коэффициентов передачи по продольной цепи каждой П-образной схемы и параллельной ей цепи, включающей инвертирующий операционный усилитель 13 (с выходными 12 и входными 10 резисторами), равном 3:1, на выходе блока аппроксиматоров образуется суммарное напряжение квазисинусоидальной (ступенчатой) формы (U₅, U₆, U₇ на фиг. 2), свободное от постоянной составляющей. В форме кривой выходного напряжения отсутствуют кратные трем- гармоники, а коэффициент гармоник составляет 30% При равенстве сопротивлений резисторов 11 и 12 коэффициент передачи инвертирующего операционного усилителя выбирается равным 1/3, а его выходное напряжение оказывается равным U₄=1/3(U₁+U₂+U₃). Отметим, что для большего приближения формы кривой к синусоиде количество датчиков Холла можно увеличить, например, в 2 раза, расположив датчики Холла основной и дополнительной систем под углом 30^о. При этом для преобразования сигналов датчиков Холла второй (дополнительной) системы следует использовать дополнительные блок формирователей прямоугольных сигналов и блок аппроксиматоров, выходные напряжения фаз которого следует суммировать c выходными напряжениями соответствующих фаз основного (первого) блока аппроксиматоров. В этом случае в форме кривой кроме кратных трем гармоник будут отсутствовать 5-я, 7-я, 23-я, 25-я и более высокие гармоники. Коэффициент гармоник будет составлять 15% Для дальнейшего улучшения формы можно использовать сглаживающие фильтры типа интегрирующих фильтры 15. Однако они вносят некоторое запаздывание в формирование сигнала управления преобразователем частоты 5. В этом случае, если исполнительный двигатель снабжен датчиком скорости переменного тока (синхронным генератором с обмотками 16 как на фиг. 1), то на интегрирующие фильтры 15, входящие в блок коррекции 14, подаются напряжения с выходов соответствующих фаз синхронного генератора, где они суммируются с напряжениями блока аппроксиматоров 9. На выходе интегрирующих фильтров образуется напряжение, имеющее практически синусоидальную форму, так как амплитуды высших гармоник ослабляются в номер гармоники раз. В этом случае запаздывание на входе фильтров компенсируется сигналом производной потока, каковым и является напряжение синхронного генератора.

Следовательно использование в качестве измерителей углового положения потока машины датчиков полярности потока машины (т. е. элементов Холла с формирователями прямоугольных сигналов) исключает влияние разброса и нестабильности параметров элементов Холла на выходной сигнал измерителей углового положения потока и на характеристики двигателя и привода в целом; введение в цепь формирования сигнала измерителя углового положения потока двигателя блока аппроксиматоров позволяет приблизить к синусоидальной зависимость его выходного напряжения от углового положения потока двигателя, т. е. от углового положения его ротора) и тем самым улучшить форму его выходного сигнала и выходного тока преобразователей частоты, что повышает плавность вращения исполнительного двигателя;
выполнение блока аппроксиматоров на П-образных резистивных схемах с инвертирующим усилителем обеспечивает, кроме улучшения формы выходного напряжения, также и исключение постоянной составляющей, имеющейся на выходе ключевых схем блоков 3 (см. фиг. 1), поскольку при выбранном соотношении коэффициентов передачи продольной цепи и параллельной ей цепи (с операционным усилителем) как 3:1 (в частности, при равных сопротивлениях разделительных и выходных резисторов П-образной схемы и коэффициенте передачи инвертирующего усилителя равным 1/3) на выходе аппроксиматора она полностью компенсируется (см. фиг. 2); введение в электропривод второй системы измерителей потока и преобразователей сигналов повышает качество выходного сигнала аппроксиматора, значительно приближая его зависимость от углового положения ротора к синусоидальной; введение в цепь передачи сигнала с выхода аппроксиматоров на вход преобразователя частоты корректирующих схем позволяет улучшить форму сигнала, управляющего преобразователем частоты, а подача на вход блока коррекции выходного напряжения синхронного генератора компенсирует запаздывание, вносимое схемами коррекции.

Для экспериментальных исследований был изготовлен макет предложенного электропривода. В качестве исполнительного был использован синхронный двигатель с тремя микросхемами типа 1116 КП4, размещенными на его корпусе под углом 120^о. Указанные микросхемы представляют собой конструктивно объединенные элементы Холла и формирователь прямоугольных сигналов, которое электрически связаны друг с другом.

Электропривод испытывался в диапазоне частот вращения от 0 до 800 Гц. Испытания показали, что при выходном сигнале микросхем, равном 12 В, на выходе аппроксиматора (выполнен с использованием операционного усилителя 14ОУД6) образуется (за период) шести ступенчатое квазисинусоидальное напряжение (см. на фиг. 2) с амплитудой 4 В. Такую же форму имеет и напряжение на выходе блока коррекции (выполнен на операционных усилителях и корректирующих контурах с постоянной времени τ20 мс) при низких скоростях вращения. Однако на частотах вращения более 30 Гц форма выходного напряжения на выходе блока коррекции становится практически синусоидальной. В этом случае и выходные токи преобразователя частоты приобретают синусоидальную форму, а пульсации момента и скорости вращения отсутствуют.

Использование: в системах регулирования скорости вращения или углового положения нагрузки. Сущность: в электропривод, содержащий m-фазный синхронный двигатель с 3-х фазной системой датчиков Холла и m-фазный преобразователь частоты с блоком управления, введены последовательно соединенные трехфазный блок формирователь прямоугольных сигналов и блок аппроксиматоров в виде П-образной резистивной схемы в каждой фазе и общего инвертирующего усилителя. Соотношение коэффициентов передачи по продольной цепи каждой П-образной схемы к параллельной ее цепи, включающей операционный усилитель, равно 3: 1. Это позволяет повысить качество управления за счет исключения влияния разброса и дрейфа параметров датчиков Холла. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Электропривод, содержащий m-фазный синхронный двигатель с трехфазной системой датчиков Холла и соединенный с фазными обмотками двигателя m-фазный преобразователь частоты с блоком управления на сигнальном входе, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные трехфазные блок формирователей прямоугольных сигналов и блок аппроксиматоров, входы блока формирователей прямоугольных сигналов связаны с выходами соответствующих датчиков Холла, а выходы с частотными входами преобразователя частоты, причем блок аппроксиматоров содержит П-образную резистивную схему в каждой фазе и общий инвертирующий операционный усилитель, к входу которого подключены свободные концы входных резисторов, а к выходу свободные концы выходных резисторов П-образных схем, входы и выходы которых образуют входы и выходы блока аппроксиматоров, а соотношение коэффициентов передачи продольной цепи каждой П-образной схемы и параллельной ей цепи, включающей инвертирующий операционный усилитель, равно 3 1. 2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что резисторы П-образной схемы выполнены с равными сопротивлениями, а коэффициент передачи инвертирующего усилителя равен 1/3. 3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что выходы блока аппроксиматоров соединены с соответствующими входами преобразователя частоты через блок коррекции, содержащий интегрирующие фильтры, входы которых соединены с соответствующими выходами введенного датчика скорости, выполненного на синхронном генераторе. 4. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что в него введены вторые последовательно включенные трехфазные блок формирователей прямоугольных сигналов и блок аппроксиматоров, а двигатель снабжен второй трехфазной системой датчиков Холла, размещенной под углом 30^o к первой системе, причем выходы датчиков Холла второй системы соединены с входами второго блока формирователй прямоугольных сигналов, а выходы фаз второго блока аппроксиматоров связаны с выходами соответствующих фаз первого блока аппроксиматоров.