СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ С ДВОЙНОЙ ЗУБЧАТОСТЬЮ Российский патент 2003 года по МПК H02P6/16 G01P3/44 G01P3/46 

Изобретение относится к области управления синхронными электрическими машинами с электронными коммутаторами в зависимости от положения ротора.

Известен способ измерения углового положения ротора по всем фазным токам и напряжению питания для синхронного двигателя [1], заключающийся в том, что по уравнениям модели двигателя из всех фазных токов и напряжения питания определяют ЭДС, наводимую полем ротора в статорных обмотках. Далее по известному вектору ЭДС вычисляют текущее положение ротора и скорость его вращения.

Недостатками такого способа являются низкая точность при малых скоростях вращения, вследствие уменьшения ЭДС, наводимой ротором в статорных обмотках, и невозможности определения положения ротора при нулевой скорости вращения. При этом алгоритм определения ЭДС по фазным токам и напряжению питания достаточно сложен, т. к. требует решения нескольких дифференциальных (или разностных) уравнений с прогнозируемыми значениями токов для следующего момента времени.

Предлагаемый способ определения скорости вращения и положения ротора в электрических машинах с двойной зубчатостью позволяет определять скорость вращения и угловое положение ротора при любых скоростях вращения без потери точности и требует решения только одного дифференциального уравнения.

Для пояснения способа определения скорости вращения и положения ротора в электрических машинах с двойной зубчатостью приведены три чертежа. На фиг.1 изображена одна из типичных схем электрической машины с двойной зубчатостью. На фиг. 2 изображены кривые намагничивания в координатах потокоспепления и тока фазы. На фиг. 3 изображена кривая зависимости магнитной проводимости воздушного зазора от угла между зубцами полюса статора и зубцами ротора.

Для определения углового положение ротора вычисляют магнитную проводимость воздушного зазора между зубцами полюса статора и зубцами ротора. С этой целью по измеренным фазным токам и напряжению питания определяют потокосцепление для каждой фазы:

где Ψ, I, U, R - потокосцепление, ток, напряжение и активное сопротивление фазы соответственно.

Далее по аппроксимации кривых намагничивания находят магнитную проводимость воздушного зазора между зубцами полюса статора и зубцами ротора λ, см, фиг.2.

По известной магнитной проводимости воздушного зазора λ и аппроксимации ее зависимости от угла между зубцами фиг.3 определяют модуль угла положения зубцов ротора по отношению к зубцам статора |Δθ|.
Сравнивая магнитную проводимость воздушного зазора текущей рассчитываемой фазы и соседней, определяют знак угла положения зубцов ротора по отношению к зубцам статора Δθ и рассчитывают положение ротора θ по отношению к начальному (нулевому) углу, исходя из геометрии машины.

Определив значение угла по каждой фазе, итоговый результат вычисляют по формуле:
θ = k₁•θ₁+k₂•θ₂+...+k_n•θ_n,
где n - количество фаз, θ_i - угловое положение ротора, определенное по i-й фазе, k_i - весовые коэффициенты, сумма которых равна единице.

Введение весовых коэффициентов, позволяет контролировать положение ротора в каждый момент времени, несмотря на то, что при измерении по отдельно взятой фазе существуют зоны нечувствительности, в которых определение углового положения невозможно, вследствие малого изменения магнитной проводимости возданного зазора от угла между зубцами.

Весовые коэффициенты для фаз, работающих в данный момент на участках с малым изменением магнитной проводимости воздушного зазора между зубцами ротора и статора, приравниваются нулю. По остальным фазам суммируют токи, и весовые коэффициенты выбирают пропорционально отношению фазного тока к полученному суммарному. Такой алгоритм вычисления весовых коэффициентов позволяет исключать из рассмотрения фазы, в которых отсутствует ток или данные, от которых недостоверны.

Для повышения точности определения углового положения ротора, которая зависит от точности аппроксимации кривых намагничивания и магнитной проводимости фиг. 2 и 3, ее целесообразно проводить только на участках линейной зависимости потокосцепления от тока и линейной зависимости магнитной проводимости от угла между зубцами ротора и статора. Для этого весовые коэффициенты фаз, работающих на этих участках, выбираются во много раз большими, чем весовые коэффициенты для фаз, работающих в нелинейных областях.

Т.к. питание фазных обмоток машин рассматриваемого класса является дискретным, и в реальных условиях ток практически во всех режимах присутствует только в активной фазе (фаза, подключенная к источнику питания и создающая на данном этапе основную часть механического момента электрической машины) и в предыдущей отключаемой фазе, то для сокращения объемов вычислений определение углового положения ротора можно вести только по этим двум фазам.

Ошибку от вычисления потокосцепления сбрасывают, приравнивая потокосцепление фазы Ψ нулю при равенстве тока фазы I нулю.

Скорость вращения ротора определяют по изменению угла с использованием алгоритмов статистической обработки измерений.

Предлагаемый способ определения скорости вращения и положения ротора в электрических машинах с двойной зубчатостью применим только для синхронных электрических машин с зубцами на роторе и на статоре (вентильно-индукторные, шаговые и т.п.) фиг.1. Техническая реализация данного способа легко осуществима па базе современных микроконтроллеров.

Источники информации
1. Д. Б. Изосимов "Синтез алгоритмов цифрового управления синхронным электроприводом без датчика на валу двигателя".// "Электричество", 9, 1998 г., с. 26-32.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам управления синхронными машинами с электронными коммутаторами. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении точности определения положения ротора, достигается путем того, что в способе определения положения ротора в электрических машинах с двойной зубчатостью по измеряемым фазным токам и напряжениям, положение ротора находят одновременно по всем фазам с учетом весовых коэффициентов через магнитную проводимость воздушного зазора между зубцами полюсов статора и зубцами ротора по кривым аппроксимации магнитной проводимости в зависимости от угла между зубцами полюсов статора и зубцами ротора, при этом весовые коэффициенты фаз, работающих на участках с малым изменением магнитной проводимости зазора между зубцами ротора, приравниваются к нулю, а для других выбираются пропорционально величине тока фазы, сумма весовых коэффициентов равна единице. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения положения ротора в электрических машинах с двойной зубчатостью по измеряемым фазным токам и напряжениям, отличающийся тем, что положение ротора находят одновременно по всем фазам с учетом весовых коэффициентов через магнитную проводимость воздушного зазора между зубцами полюсов статора и зубцами ротора по кривым аппроксимации магнитной проводимости в зависимости от угла между зубцами полюсов статора и зубцами ротора, при этом весовые коэффициенты фаз, работающих на участках с малым изменением магнитной проводимости зазора между зубцами ротора, приравниваются к нулю, а для других выбираются пропорционально величине тока фазы, сумма весовых коэффициентов рана единице.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовые коэффициенты для фаз, работающих в области линейной зависимости потокосцепления от тока и линейной зависимости магнитной проводимости между зубцами ротора и статора от угла между ними, выбираются большими, чем для фаз, работающих в нелинейных областях изменения потокосцепления и магнитной проводимости, и сумма весовых коэффициентов равна единице.