ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1997 года по МПК H02P6/00 H02K29/14 H02P6/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах регулирования.

Известен электропривод, выполненный на синхронном исполнительном двигателе с пристраевыми к ним датчиком угла и датчиком скорости, выполненном, в частности, в виде синхронного тахогенератора (1).

Недостатком электропривода является сложность.

Известен также электропривод, содержащий связанный с преобразователем частоты двигатель, датчик угла, связанный по входу с генератором возбуждения, а по выходу с входами фазочувствительных выпрямителей через фильтры высоких и низких частот. Выходы фазочуствительных выпрямителей и фильтров низких частот подключены к входам соответствующих блоков сравнения, на выходах которых формируются сигналы скорости вращения ротора, величина которых пропорциональна амплитуде напряжения переменного тока на обмотке возбуждения. Эти сигналы подаются на соответствующие входы преобразователя частоты (2).

Основным недостатком электропривода является невысокая точность формирования угловых и скоростных сигналов, обусловленная тем, что цепи возбуждения и выходных сигналов для угловых и скоростных координат объединены, а разделение указанных сигналов производится электронными фильтрами, которые вносят искажения в отработку статических и динамических параметров, снижающие точность измерения угловых координат и скорости вращения.

Наиболее близким аналогом к изобретению является электропривод, содержащий синхронный двигатель, связанный с выходом преобразователя частоты, датчик угла, обмотка возбуждения которого подключена к выходу генератора возбуждения, к которому подключен вход генератора опорного напряжения, выходом соединенного с опорными входами фазочувствительных выпрямителей. Выходы последних подключены к входам преобразователя частоты через блоки умножения и к двум входам формирователя скоростного сигнала, в котором сигнал по скорости формируется путем апроксимации тригонометрических функций углового положения ротора (3).

Недостатком указанного электропривода является сложность и ограниченная точность формирования сигнала скорости.

Технический результат данного изобретения заключается в упрощении и повышении точности за счет разделения угловых и скоростных сигналов, исключающих статические и динамические погрешности в трактах преобразования сигналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроприводе, содержащем синхронный двигатель, связанный с преобразователем частоты, датчик угла, обмотка возбуждения которого подключена к выходу генератора возбуждения, генератор опорного напряжения, входом подключенный к выходу генератора возбуждения, два фазочувствительных выпрямителя, формирователь скоростного сигнала, двумя входами подключенный к выходам фазочувствительных выпрямителей, генератор возбуждения, генератор опорного напряжения и датчик угла выполнены двухфазными, вторичные обмотки датчика угла размещены на взаимно перпендикулярных зубцах магнитопровода статора синхронного двигателя, образуя одновременно обмотки датчика скорости, а обмотки возбуждения образованного датчика угла и скорости расположены в отверстиях, выполненных в указанных зубцах, и центры которых расположены на радиальной оси симметрии зубцов, введены интегратор, два суммирующих и два вычитающих блока, два преобразователя скорости, а генератор опорного напряжения выполнен в виде двух двухобмоточных дросселей, двух разнополярных выпрямителей и сумматора, выход которого через интегратор подключен к опорным цепям фазочувствительных выпрямителей, а входы через разнополярные выпрямители к вторичным обмоткам соответствующих дросселей, первичные обмотки которых, образуя двухфазный вход генератора опорного напряжения, включены в цепи соответствующих обмоток возбуждения двухфазного датчика угла и скорости, каждая выходная обмотка которого через соответствующие суммирующий и вычитающий блоки подключена к входам соответствующих фазочувствительного выпрямителя и преобразователя скорости, выходы преобразователей скорости подключены к двум другим входам формирователя скоростного сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема электропривода; на фиг. 2 - выполнение отдельных узлов электропривода; на фиг. 3 магнитопровод статора синхронного двигателя с датчиком угла и скорости; на фиг. 4 временные диаграммы работы узлов электропривода.

Электропривод содержит синхронный двигатель 1 с датчиком угла и скорости, выполненным двухфазным. Ротор 2 двигателя выполнен в виде постоянного магнита (условно показан двухполюсным). На статоре 3 двигателя размещены первая 4 и вторая 5 фазы обмотки двигателя, первая 6 и вторая 7 фазы обмотки возбуждения датчика угла и скорости, и первая 8 и вторая 9 фазы выходной обмотки датчика угла и скорости (фиг. 1).

Двигатель подключен к двухфазному преобразователю частоты 10, каждая фаза которого составлена из предварительного усилителя 11 и усилителя мощности 12. Обмотки возбуждения упомянутого датчика угла и скорости подключены к выходам двухфазного генератора возбуждения 13 с выходной частотой f₀, к которым подключен двухфазный вход генератора опорного напряжения.

Генератор опорного напряжения содержит два двухобмоточных дросселя, которые имеют первичные обмотки 14, 15, образующие двухфазный вход генератора опорного напряжения и включенные в цепи обмоток возбуждения 6, 7 датчика угла и скорости соответственно, два разнополярных выпрямителя 16, 17, входами подключенные к вторичным обмоткам 18, 19 дросселей соответственно, и сумматор 20, входами соединенный с выходами выпрямителей 16, 17 соответственно.

Электропривод снабжен суммирующими 21 и вычитающими 22 блоками. Каждая из выходных обмоток 8, 9 датчика угла и скорости через соответствующие суммирующие 21 и вычитающие 22 блоки подключены к входам соответствующих фазочувствительного выпрямителя 23 и введенного преобразователя скорости 24. Опорные цепи фазочувствительных выпрямителей 23 через введенный интегратор 25 подключен к выходу сумматора 20 генератора опорного напряжения.

Выходы фазочувствительных выпрямителей 23 и преобразователей скорости 24 подключены к соответствующим входам формирователя скоростного сигнала 26, на выходе которого формируется сигнал в виде напряжения постоянного тока, величина которого пропорциональна скорости вращения, а знак (направление) определяется направлением вращения.

Для организации обратных связей по углу и скорости выходы фазочувствительных выпрямителей с напряжениями (U_1D, U_2D) подключены к соответствующим входам предварительных усилителей и вводится блок сравнения 27, на первый вход которого подается сигнал U₃, а второй вход соединяется с выходом формирователя скоростного сигнала 26.

Формирователь скоростного сигнала может содержать два множительных устройства 28 (фиг. 2) и суммирующий усилитель 29, вход которого подключен к выходам множительных устройств 28.

В опорные цепи фазочувствительных выпрямителей введены ключи 30, управляющие входы которых соединены с выходом интегратора 25.

Магнитопровод статора синхронного двигателя содержит зубцы 31-42 (фиг. 3), на которых размещены фазы обмотки статора синхронного двигателя. На взаимно перпендикулярных зубцах 31, 37 и 34, 40 размещены обмотки 8^I, 8^II первой фазы и обмотки 9^I, 9^II второй фазы датчика угла и скорости. На указанных зубцах выполнены отверстия, центр которых совпадает с радиальными осями симметрии зубцов, в которых размещены первая 6 и вторая 7 фазы обмотки возбуждения датчика угла и скорости.

Электропривод работает следующим образом. При подаче на вход электропривода сигнала задания U₃ он попадает на входы предварительный усилителей 11, которые инициируют усилители мощности 12, обеспечивающие токи для вращения ротора синхронного двигателя. Последний начинает вращаться и наводит ЭДС вращения U_Ω на выходных обмотках 8 и 9 датчика угла и скорости. Это напряжение через вычитающий блок 22 и преобразователь скорости 24 поступает на формирователь скоростного сигнала 26, где формируется сигнал в виде напряжения (U_тм) постоянного тока, величина которого пропорциональна скорости, а полярность определяется направлением вращения ротора двигателя. Этот сигнал (U_тм) может подаваться на второй вход блока сравнения 27 как сигнал главной обратной связи в электроприводе. Одновременно с ЭДС вращения на выходных обмотках 8 и 9 наводится модулированный частотой вращения W сигнал U_α несущий частоты f=2f₀. Обмотки 8 и 9 на статоре 3 двигателя расположены так, что на их концах образуется напряжение, из которого при суммировании напряжений выделяется сигнал U_1α, U_2α а при вычитании сигнал U_1Ω, U_2Ω Сигнал U_1α U_2α после детектирования в фазочувствительных выпрямителя 23 (с помощью опорного напряжения поступающего на входы опорного напряжения фазочувствительных выпрямителей с выхода интегратора 25) преобразуется в сигнал U_1Д, U_2Д, представляющий в данном случае сигнал датчика углового положения ротора двигателя. Этот сигнал может быть подан на входы усилителей 11, которые вырабатывают синусоидальные (ПУ₁) и косинусоидальные (ПУ₂) функции (в виде напряжения или тока) для управления усилителями мощности 12 (УМ₁ и УМ₂). Напряжение U_1Д (U_2Д) подается также на формирователь скоростного сигнала 26 для преобразования выходных напряжений U_1Г, U_2Г преобразователей скорости 24 в сигнал постоянного тока. Выходные обмотки датчика угла и скорости, расположенные на взаимно перпендикулярных зубцах 31 и 37 по отношению к зубцам 34 и 40 (фиг. 3) и помеченные цифрами 8^I, 8^II и 9^I, 9^II, подключены к входам суммирующих 21 и вычитающих 22 блоков (фиг. 2). В общем случае суммирующий блок может быть выполнен на операционном усилителе, аналогично вычитающему блоку. В данной схеме он выполнен в виде перемычки, соединяющей полуобмотки 8^I и 8^II или 9^I и 9^II в последовательно согласно включенную цепь. Поскольку модулированный сигнал датчика положения на диаметрально расположенных полуобмотках 8^I и 8^II суммируется, а сигнал датчика скорости (ЭДС) вычитается, то на выходе суммирующего блока 21 образует сигнал, пропорциональный угловому положению α ротора 2, т.е.

а на выходе вычитающего блока 22 сигнал, пропорциональный скорости вращения W ротора, т.е. (с учетом сдвига фаз на 90^o):

Напряжение с выхода блока 21 подается на вход фазочувствительного выпрямителя 23, где он детектируется и на его выходе образуется напряжение:

Поскольку при протекании тока i₀ (i₀₁ и i₀₂, фиг. 4) в обмотке 6 или 7 возбуждения датчика угла и скорости происходит модуляция потока в основании зубцов, на оси которых и размещены обмотки возбуждения, причем и в одном, и в другом полупериоде несущей частоты f₀ происходит уменьшение основного потока F₀₁ за счет насыщения этих участков магнитопровода, то наведенное на выходных обмотках 8 и 9 напряжение U₈₍₉₎ будет иметь удвоенную частоту f= 2f₀. Поэтому для детектирования в выпрямителе 23 необходимо иметь синфазное с выходным напряжением опорное напряжение удвоенной частоты f=2f₀. Это напряжение в схеме электропривода формируется с помощью линейных дросселей Др. 1 и Др.2 (фиг. 1, 2), вторичные обмотки 18, 19 которых подключены к разнополярным выпрямителям 16, 17, выходные сигналы которых U₁₆, U₁₇ которых суммируются в сумматора 20. Формирование выходного сигнала U_f генератора опорного напряжения происходит следующим образом. Ток i₀, протекающий в первичной обмотке 14 (15) каждого из дросселей Др. 1 и Др. 2
i₀₁= i₀sinω₀t и i₀₂= i₀cosω₀t
наводит на обмотке 18 (19) соответствующего дросселя напряжение

где
коэффициент трансформации;
W_1,2 числа витков первичной и вторичной обмоток дросселя. После выпрямления напряжений U₀₁ и U₀₂ разнополярными выпрямителями 16 и 17 и суммирования их выходных напряжений сумматором 20 получается напряжение:

Поскольку напряжения U₀₁ и U₀₂ на обмотках 18, 19 являются производными от токов i₀₁ и i₀₂, протекающих в обмотках 14 и 15 соответствующих дросселей, то для получения синфазного напряжения выходное напряжение U_f генератора подается на вход интегратора 25, на выходе которого и образуется напряжения (U₂₅) опорной частоты f=2f₀, которое с помощью компаратора (фиг. 2) преобразуется в напряжение прямоугольной формы. На фиг. 4 показан процесс формирования опорного напряжения где представлены: ток i₀₁ в обмотке возбуждения 6; магнитный поток Ф₀₁ в зубце 31 (фиг. 3); напряжение U₈ на выходной обмотке 8 (фиг. 1) датчика угла и скорости; напряжение на выходе выпрямителей 16 и 17 U₁₆ и U₁₇; напряжение на выходе сумматора 20 U₂₀ (оно же выходное напряжение U_f генератора опорного напряжения); напряжение на выходе интегратора 25 U₂₅
В случае необходимости для формирования сигнала главной обратной связи по скорости U_тм сигнал U_Ω с выходов вычитающих блоков 22 в общем случае через преобразователь скорости 24 (в качестве которого может быть использован операционный усилитель, в частности с RC-фильтром в цепи обратной связи для некоторой фильтрации входного напряжения) подается на вход Y соответствующего множительного устройства 28 (в формирователе скоростных сигналов 26, фиг. 2), на вход X которого подается сигнал U_α с выхода фазочувствительного выпрямителя 23. Напряжение с выхода множительных блоков (U_Ω•U_α) подаются на суммирующий усилитель 29, на выходе которого и образуется сигнал U_тм. Величина напряжения на выходе формирователя скоростных сигналов 26 с учетом ранее приведенных формул определяется следующей формулой:

т. е. напряжение U_тм прямо пропорционально скорости вращения и не имеет пульсаций. Полярность напряжения зависит от направления (знака) скорости, поскольку напряжение U_Ω изменяет полярность при реверсе направления вращения привода.

Таким образом, согласно данному изобретению существенно упрощается как конструкция электропривода за счет размещения датчика угла и скорости на магнитопроводе двигателя, так и схема преобразования их сигналов, что значительно повышает надежность и долговечность.

Кроме того это позволяет обеспечить принципиальную возможность разделения сигналов комбинированного датчика угла и скорости, т.е. построить тракты угловых и скоростных сигналов автономно без взаимного влияния друг на друга. Это обстоятельство позволяет повысить качество, а именно, точность электропривода в отработке заданной скорости вращения и углового положения.

Использование: в следящих системах регулирования. Сущность: в электропривод введены интегратор 25, суммирующие и вычитающие блоки 21, 22. Генератор опорного напряжения составлен из дросселей с первичными обмотками, включенными в цепи обмоток 6, 7 возбуждения датчика угла и скорости, и вторичными обмотками 18, 19, подключенными через разнополярные выпрямители 16, 17 к входам сумматора 20, выход которого соединен с опорными входами фазочувствительных выпрямителей 23. Входы последних через блоки 21 подключены к выходным обмоткам датчика угла и скорости, которые через блоки 22 подключены к преобразователям скорости 24. Выходы преобразователей скорости и фазочувствительных выпрямителей соединены с входами формирователя 26 скоростного сигнала. В результате повышается точность за счет разделения угловых и скоростных сигналов и обеспечивается упрощение. 4 ил.

Электропривод, содержащий синхронный двигатель, связанный с преобразователем частоты, датчик угла, обмотка возбуждения которого подключена к выходу генератора возбуждения, генератор опорного напряжения, входом подключенный к выходу генератора возбуждения, два фазочувствительных выпрямителя, формирователь скоростного сигнала, двумя входами подключенный к выходам фазочувствительных выпрямителей, отличающийся тем, что генератор возбуждения, генератор опорного напряжения и датчик угла выполнены двухфазными, вторичные обмотки датчика угла размещены на взаимно перпендикулярных зубцах магнитопровода статора синхронного двигателя, образуя одновременно обмотки датчика скорости, а обмотки возбуждения образованного датчика угла и скорости расположены в отверстиях, выполненных в указанных зубцах, и центры которых расположены на радиальных осях симметрии зубцов, введены интегратор, два суммирующих и два вычитающих блока, два преобразователя скорости, а генератор опорного напряжения выполнен в виде двух двухобмоточных дросселей, двух разнополярных выпрямителей и сумматора, выход которого через интегратор подключен к опорным цепям фазочувствительных выпрямителей, а входы через разнополярные выпрямители к вторичным обмоткам соответствующих дросселей, первичные обмотки которых, образуя входы генератора опорного напряжения, включены в цепи соответствующих обмоток возбуждения датчика угла и скорости, каждая выходная обмотка которого через соответствующие суммирующий и вычитающий блоки подключена к входам соответствующих фазочувствительного выпрямителя и преобразователя скорости, выходы преобразователей скорости подключены к двум другим входам формирователя скоростного сигнала.