ЭЛЕКТРОПРИВОД КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗАКОНОМ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1997 года по МПК H02P7/62 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока и может быть использовано при вибротранспортировке, в системах перемещения поршней гидроусилительных систем, в оптико-механических устройствах со сканированием и других механизмах испытательной, измерительной или калибровочной техники, где требуются регулируемые по форме, амплитуде и частоте периодические колебания.

Известен электропривод [1] колебательного движения на основе устройства для возбуждения колебаний вала двухфазного асинхронного двигателя по периодическому закону с числом гармоник n². Устройство содержит источник синусно-косинусного напряжения частоты, 2n регуляторов фазы и амплитуды, 2n-1 поворотных трансформаторов, расположенных на одном валу и соединенных электрически последовательно, причем один из поворотных трансформаторов, включенный в последовательную цепь последним, считая от источника синусно-косинусного напряжения, имеет одну из роторных обмоток закороченной накоротко с целью формирования вращательного режима работы со скоростью ω₁=ω_o/P, где P число пар полюсов поворотного трансформатора, а поворотные трансформаторы, начиная с (n+1)-го выполнены многополюсными. При вращении роторов поворотных трансформаторов с постоянной скоростью ω₁, фазы роторных напряжений непрерывно сдвигаются относительно фаз статорных напряжений по линейному закону со скоростью . В результате на выходах каждого n-го поворотного трансформатора формируются напряжения U_mnsin(ω_ot+nω₁t) и U_mncos(ω_ot+nω₁t), где U_mn амплитуда выходного напряжения. При подключении статорных обмоток двухфазного асинхронного электродвигателя к источнику синусно-косинусного напряжения частоты ω_o и к n синусным (косинусным) напряжением роторных обмоток поворотных трансформаторов соответственно, формируют заданный закон колебаний, определяемый соотношением фаз и амплитуд между первой и n-ой гармониками закона колебаний.

Однако данный колебательный электропривод реализует ограниченный класс периодических функций, что связано с тем, что различные гармонические составляющие закона движения формируются при данном техническом решении одними и теми же напряжениями роторных обмоток поворотных трансформаторов. Так как частота периодического закона колебаний вала исполнительного двигателя определяется при этом еще и числом р пар полюсов используемых поворотных трансформаторов, то она фиксированна и не может регулироваться. Кроме того, при формировании колебательного режима работы асинхронный электродвигатель обладает низкими энергетическими показателями и динамическим смещением нейтрали колебаний, обусловленным нелинейностью механической характеристики, что существенно ограничивает возможности применения данного класса электроприводов. При возрастании требований к точности формирования заданного периодического закона колебаний увеличивается число поворотных трансформаторов, что приводит к возрастанию статической ошибки системы в целом. Следует также учитывать, что точность формирования заданного закона колебаний зависит также не только от стабильности частоты питающей сети, но и равномерности вращения поворотных трансформаторов внутри одного оборота.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому электроприводу является, выбранный в качестве прототипа, электропривод колебательного движения [2] Он содержит исполнительный двигатель, имеющий две взаимно перпендикулярные обмотки на статоре и роторе, соединенные параллельно и подключенные к двум источникам переменного тока регулируемой частоты. Благодаря наличию роторных обмоток, в воздушном зазоре электрической машины создаются два синфазно направленных колебательных электромагнитных поля, что придает двигателю синхронные свойства. При этом существенно повышается КПД и мощность привода, улучшаются динамические и точностные показатели колебательной системы в целом, отсутствует динамическое смещение нейтрали колебаний. Однако данный электропривод колебательного движения не позволяет формировать периодические законы колебаний, отличные от синусоидального.

Целью изобретения является формирование регулируемых периодических законов колебаний вала исполнительного двигателя с числом гармоник n.

Поставленная цель достигается введением в электропривод, содержащий двухфазный двигатель со статором и ротором, в котором роторные обмотки подключены параллельно обмоткам статора и первая обмотка статора подключена к источнику переменного тока инвертора, аналогового сумматора с n входами, умножителя частоты, преобразователя кода частоты колебаний, генератора тактовой частоты, n цифровых сумматоров и n формирователей гармонических составляющих закона движения, включающих в себя последовательно соединенные умножитель частоты с регулируемым коэффициентом умножения, счетчик с постоянным коэффициентом деления, фильтр и регулятор амплитуды и фазы, выходы которых подключены ко входам аналогового сумматора, соединенного выходом со входом инвертора, выходы которого подключены ко второй статорной обмотке двигателя, вход умножителя частот подключен к источнику переменного тока, а выход к первому входу преобразователя частота код, выход которого соединен с первым входом первого цифрового сумматора, выход каждого n-го цифрового сумматора соединен с первым входом соответствующего умножителя частоты с регулируемым коэффициентом умножения и выход каждого (n-1)-го цифрового сумматора с первым входом последующего цифрового сумматора, вторые входы цифровых сумматоров подключены к выходу формирователя кода частоты колебаний, выход генератора тактовой частоты соединен с тактовым входом формирователя кода частоты колебаний и со вторыми входами преобразователя частота код и умножителей частоты с регулируемым коэффициентом умножения.

Сопоставительный анализ с прототипом, а также с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что заявляемый электропривод колебательного движения с регулируемым законом колебаний отличается от них введением дополнительных функциональных блоков и связей между ними, формирующих качественно новые показатели привода, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия".

На чертеже представлена блок схема заявляемого устройства. Она содержит исполнительный двигатель со статорными 1, 2 и роторными 3, 4 обмотками, инвертор 5, аналоговый сумматор с n входами 6, n формирователей гармонических составляющих закона движения 7, включающих в себя регулятор амплитуды и фазы 8, фильтр 9, счетчик с постоянным коэффициентом деления 10, умножитель частоты с регулируемым коэффициентом умножения 11, n цифровых сумматоров 12, преобразователь частота код 13, формирователь кода частоты колебаний 15, генератор тактовой частоты 16.

Устройство работает следующим образом.

Обмотки исполнительного двигателя 1 и 4 подключены непосредственно к источнику переменного напряжения частоты f_o. Одновременно это же напряжение частоты f_o поступает на умножитель частоты 14, где умножается по частоте на постоянное число М и преобразуется на преобразователе частота код 13 в параллельный m-разрядный двоичный код
N_c=f_c•M/f_т,
где f_т частота генератора тактовой частоты 16. Аналогично формируется код на формирователе кода частоты колебаний 15. Отличие состоит лишь в том, что вместо частоты f_c в нем учитывается требуемая частота колебаний первой гармонической составляющей закона движения подвижного элемента исполнительного двигателя f_k
N_k=f_k•M/f_т.

Оба кода N_c и N_k поступают на m-разрядные цифровые сумматоры 12, работающие в режиме сложения. В результате на выходе каждого n-го сумматора формируется m-разрядный параллельный двоичный код
N_n N_c + nN_k.

Эти коды поступают соответственно на формирователи гармонических составляющих закона движения 7, где сперва каждый из сформированных кодов, определяя коэффициент счета умножителя частоты с регулируемым коэффициентом умножения 11, формирует на его выходе последовательность импульсов частоты
f=(N_c + nN_k)•f_т,
а затем полученная частота делится с помощью счетчиков с постоянным коэффициентом деления 10 на заданное ранее постоянное число М

После выделения на фильтрах 9 первых гармонических составляющих частот (f_c + nf_k), переменные напряжения с заданными амплитудами U_mn и начальными фазами Φ_n, устанавливаемые по каждому каналу регуляторами 8, поступают на аналоговый сумматор 6, где суммируются каждый со своим коэффициентом и после усиления по мощности на инверторе 5 подаются на обмотки 2, 4 исполнительного двигателя.

В результате, сформированные таким образом напряжения на обмотках двигателя создают в воздушном зазоре МДП потокосцепления, пространственные вектора которых изменяются по законам:
от источника переменного напряжения частоты f_c (обмотки 1, 3)
ψ₁= ψ_ms•cos(2πf_сt+α);
ψ₂= ψ_ms•μ•cos(2πf_сt+α);
от усилителя мощности (обмотки 2, 4)


Здесь через ψ_msα обозначены амплитуда и начальная фаза потокосцепления статорной обмотки 1; μ коэффициент сигнала, численно равный отношению между амплитудами потокосцеплений роторной 3 и статорной 1 обмоток; j_ms,n,Φ_n - амплитуды и начальные фазы потокосцеплений гармонических составляющих на обмотках 2, 4 исполнительного двигателя. Благодаря заданному алгоритму пространственный результирующий вектор потокосцепления (электромагнитное поле МДП) совершает колебания по закону

а подвижный элемент исполнительного двигателя, с учетом, что для высокочастотных пульсаций электромеханический преобразователь энергии является естественным механическим фильтром

В частности при симметричном регулировании, когда m=1=1

Таким образом, формируя требуемое полигармоническое питание на выходе инвертора 5, реализуют заданный закон движения подвижного элемента исполнительного двигателя с необходимым числом гармоник n. Например, пусть требуется реализовать пилообразный закон колебания вала исполнительного двигателя с точностью до седьмой гармоники. Согласно [3] пилообразный закон движения, при разложении его в ряд Фурье и ограниченный седьмой гармоникой, имеет вид

Следовательно, число необходимых формирователей гармонических составляющих закона движения ФГС и цифровых сумматоров составит 7. При частоте питающей сети f_c=50 Гц, М=1000, f_т=500 Гц и восьмиразрядной цифровой системе (m= 8) на цифровых сумматорах и формирователях гармонических составляющих закона движения с учетом выбранного диапазона регулирования частоты колебаний, например f_к (1-10) Гц, установятся величины, представленные в таблице.

Амплитуды U_mn и фазы Φ_n выходных напряжений ФГС определяются с учетом весовых коэффициентов разложения периодической функции [1] и кинематической амплитудно-фазочастотной характеристики исполнительного двигателя [5]
В таблице они рассчитаны согласно формуле

где для пилообразного закона движения ν_n 1/n и представлены для наиболее часто применяемого на практике инерционного характера нагрузки при малом собственном электромагнитном позиционном усилии и демпфировании. Если составляющей электромагнитного позиционного усилия М_n пренебречь нельзя, то амплитуды напряжений гармонических составляющих, снимаемых с выходов ФГС, могут быть определены как

где L_мех коэффициент инерционной нагрузки. Снимаемые с выходов ФГС напряжения суммируются на аналоговом сумматоре и, взаимодействуя с напряжением частоты сети f_c= 50 Гц, будут формироваться в воздушном зазоре МДП колебательные электромагнитные поля с частотами Ω_n= 2π[(f_c+f_к)-f_к], так, например, при f_k=1 Гц

а подвижный элемент исполнительного двигателя совершает движение по закону [1]
При реализации заявляемого устройства в качестве аналогового сумматора 6 использован операционный усилитель серии 140УД8, генератор тактовой частоты выполнен на элементах ТТЛ логики 155ЛАЗ с кварцевым резонатором на 5 МГц с последующим делением выходной частоты до 500 Гц на декадных счетчиках с фазоимпульсным представлением информации 155ИЕ1. Цифровые сумматоры 12 представляют собой стандартные микросхемы 155ИМ3, работающие в режиме сложения (P_o= 0). Умножитель частоты 14 выполнен по известной схеме с ФАПЧ [5, с. 85] на микросхеме К564ГГ1 с использованием счетчиков К561ИЕ8. Блок 13 включает в себя два 4-х разрядных счетчика К155ИЕ5 и два регистра 555ИР16. Аналогично блокам 14, 13 выполнен блок 15. Умножители частоты с регулируемым коэффициентом умножения 11 аналогичны блоку 14 с той лишь разницей, что вместо счетчиков К561ИЕ8 в них применены четырехразрядные реверсивные счетчики К155ИЕ7. Блок 10 реализован на двух микросхемах К561ИЕ8, логики К561ЛЕ5 и триггере К561ТВ1. Активные фильтры 9 и регуляторы 8 выполнены на микросхемах КР140УД708 и КР140УД20.

По мнению авторов, данное техническое решение не имеет эквивалентов в области специальных электроприводов, так как нет объектов, которые содержали бы аналогичные признаки, которые составляют существенность отличий. Так, введение дополнительных функциональных блоков и связей между ними, позволяет формировать любые, с заданной точностью, периодические законы колебаний подвижного элемента исполнительного двигателя двойного питания, благодаря возможности независимой регулировки амплитуд и фаз гармонических составляющих питающих обмотки двигателя напряжений. Изменение частоты первой гармонической составляющей осуществляется изменением кода на задатчике кода частоты колебаний. При этом стабильность по частоте колебаний не зависит от стабильности источника переменного напряжения частоты f_c, а определяется лишь разрядностью используемых цифровых микросхем и стабильностью генератора тактовой частоты. Регулирование амплитуды колебаний осуществляется изменением коэффициента передачи инвертора. Так как заявляемый электропривод реализуется на машине двойного питания, то он обладает, по сравнению с асинхронными колебательными электроприводами, более высоким КПД и отсутствием смещения электрической нейтрали, что существенно расширяет область применения данного класса электроприводов.

Использование: в оптомеханических устройствах со сканированием, в механизмах испытательной, измерительной или калибровочной техники, в приводах вибротранспортировки и системах перемещения поршней гидроусилительных систем. Сущность: электропривод колебательного движения содержит двухфазный двигатель, в котором роторные обмотки подключены параллельно обмоткам статора и первая обмотка статора подключена к источнику переменного тока, инвертор, аналоговый сумматор, умножитель частоты, преобразователь частота-код, формирователь кода частоты, n цифровых сумматоров и n гармонических составляющих закона движения, включающих в себя регулятор амплитуды и фазы, фильтр, счетчик и умножитель частоты. Это позволяет формировать полигармонический закон изменения колебательного электромагнитного поля исполнительного двигателя, определяемый соотношением фаз и амплитуд между первой и n-ой гармониками колебаний. 1 табл., 1 ил.

Электропривод колебательного движения, содержащий двухфазный двигатель со статором и ротором, в котором роторные обмотки подключены параллельно обмоткам статора и первая статорная обмотка подключена к источнику переменного тока, отличающийся тем, что введены инвертор, аналоговый сумматор с n входами, умножитель частоты, преобразователь частота код, формирователь кода частоты колебаний, генератор тактовой частоты, n цифровых сумматоров и n формирователей гармонических составляющих закона движения, включающих в себя последовательно соединенные умножитель частоты с регулируемым коэффициентом умножения, счетчик с постоянным коэффициентом деления, фильтр и регулятор амплитуды и фазы, выходы которых подключены к входам аналогового сумматора, соединенного выходом с входом инвертора, выходы которого подключены к второй статорной обмотке двигателя, вход умножителя частот подключен к источнику переменного тока, а выход к первому входу преобразователя частота-код, выход которого соединен с первым входом первого цифрового сумматора, выход каждого n-го цифрового сумматора соединен с первым входом соответствующего умножителя частоты с регулируемым коэффициентом умножения и выход каждого (n 1)-го цифрового сумматора с первым входом последующего цифрового сумматора, вторые входы цифровых сумматоров подключены к выходу формирователя кода частоты колебаний, выход генератора тактовой частоты соединен с тактовым входом формирователя кода частоты и с вторыми входами преобразователя частота код и умножителей частоты с регулируемым коэффициентом умножения.