СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ Российский патент 2006 года по МПК H01F7/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления быстродействующими электромагнитными приводами различных устройств для улучшения их динамических характеристик.

Известен способ управления электромагнитным приводом вибрационного движения, где в качестве источника питания постоянного тока используют блок питания постоянного тока в виде источника питания постоянного тока ограниченной мощности и накопителя энергии, перед подключением силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют накопление энергии посредством накопителя энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, а повторное подключение силовой обмотки электромагнита к блоку питания после перемещения рабочего органа в обратном направлении осуществляют при уровне энергии, накопленной в накопителе энергии, обеспечивающей перемещение рабочего органа (патент №2147941, Россия, 2000 г.).

Недостатком данного способа является то, что регулируется только энергия ударного импульса, а не закон перемещения якоря электромагнита, а также невозможность обеспечить безударное включение электромагнита и контролировать закон его движения.

Известен способ управления электромагнитом, когда для регулирования закона движения якоря в течение времени форсировки на обмотку электромагнита подается постоянное во времени напряжение источника, а по истечении этого времени напряжение подается лишь периодически с определенной частотой, т.е. импульсы напряжения, питающего электромагнит, широтно-модулированные («Электрические аппараты» Межвуз. сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чувашского ун-та, 1998, 299 с).

Недостатком данного способа является невозможность формирования требуемого в некоторых случаях закона изменения тока (а значит, и магнитодвижущей силы), т.к. постоянная времени обмотки не позволяет обеспечить нужную скорость уменьшения тока.

Задачей данного изобретения является формирование заданного закона изменения тока в катушке, необходимого для обеспечения безударного срабатывания электромагнита, при сохранении требуемых динамических характеристик устройства.

Поставленная задача решается с помощью заявленного способа управления быстродействующим электромагнитом, включающего формирование широтно-модулированных импульсов напряжения, подаваемых на электромагнит, и регулирование скорости движения якоря, при этом импульсы напряжения двухполярные, а для обеспечения закона движения с минимальной скоростью в конце хода якоря используется закон изменения магнитодвижущей силы обмотки во времени (F(t)), который формируется системой управления методом широтно-импульсной модуляции напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита путем вычитания противодействующей характеристики, действующей на якорь электромагнита, из расчетной силовой характеристики, необходимой для обеспечения заданного закона движения якоря, и затем последующим восстановлением из полученной разности и статических тяговых характеристик электромагнита необходимой зависимости для магнитодвижущей силы (F(t)).

Способ осуществляется следующим образом: на обмотку электромагнита подаются широтно-модулированные импульсы напряжения, длительность и полярность которых меняется таким образом, чтобы обеспечить изменение магнитодвижущей силы обмотки (F) во времени по заданному закону, т.е. нарастание F достигается увеличением ширины подаваемого импульса, а снижение - увеличением паузы между импульсами или изменением полярности напряжения, подаваемого на обмотку, на противоположную. Структурно-функциональная схема устройства управления, реализующего данный способ управления, представлена на фиг.1, на котором: МК - микроконтроллер, формирующий сигнал управления, СБ - силовой блок, к которому подключена непосредственно обмотка электромагнита, ЭМ - управляемый электромагнит.

Для требуемого закона перемещения якоря электромагнита во времени (x(t)) и связанного с ним исполнительного механизма можно теоретически рассчитать необходимый закон изменения действующей силы от перемещения (Р(х)). Вычитая из последней зависимость противодействующего усилия от перемещения (Р_пр(х)) исполнительного механизма, получим расчетную зависимость электромагнитной силы, которую должен обеспечить электромагнит. Зная семейство зависимостей электромагнитного усилия от перемещения и магнитодвижущей силы (Р_эм(х, F)), по фиксированным значениям Р_эм(х, F) и x(t) можно определить необходимую характеристику изменения МДС обмотки от времени.

Для быстродействующих электромагнитов с внешним вращающимся якорем закон изменения МДС обмотки определяется аналогично. При этом перемещение якоря во времени определяется углом поворота ϕ(t), а силовые характеристики задаются соответствующими моментами М_эм(ϕ, F) и М_пр(ϕ), действующими на якорь.

Рассмотрим на примере ЭМ (фиг.2) алгоритм определения необходимой зависимости для магнитодвижущей силы обмотки управления. Пусть электромагнит должен обеспечивать время срабатывания не более 2 мс, при этом скорость якоря в конце хода не должна превышать 0,02 рад/мс. Общий момент инерции якоря и подвижных частей исполнительного механизма составляет 2,1 г·см², а характеристика противодействующего момента М_пр(ϕ) представлена на фиг.3 пунктирной линией.

Семейство статических тяговых характеристик электромагнита М_эм(ϕ,F), представленных в виде зависимостей момента от МДС обмотки для различных углов поворота якоря ϕ, представлено на фиг.4.

Расчетная характеристика момента, действующего на якорь М(ϕ) и обеспечивающая необходимый закон перемещения последнего ϕ(t), приведена на фиг.3 сплошной линией. Вычитая из характеристики М(ϕ) зависимость М_пр(ϕ), получим расчетную зависимость электромагнитного момента М_эм(ϕ), которую должен обеспечить электромагнит (фиг.5).

Таким образом, в каждый момент времени t известны значения М_эм(ϕ) и ϕ(t), следовательно, по этим значениям из зависимости М_эм(ϕ,F) можно восстановить необходимый закон изменения МДС обмотки F(t). Вид полученной таким образом зависимости F(t) для быстродействующего электромагнита фиг.2 представлен на фиг.6. Временные зависимости угла поворота якоря ϕ(t) и его угловой скорости показаны на фиг.7.

Система управления электромагнитом формирует последовательность широтно-модулированных импульсов напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита так, чтобы обеспечить изменение МДС обмотки согласно полученной зависимости F(t).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электромагнитными приводами различных устройств. Техническим результатом является обеспечение безударного включения электромагнита. Способ управления быстродействующим электромагнитом включает формирование широтно-модулированных импульсов напряжения, подаваемых на электромагнит, и регулирование скорости движения якоря, при этом импульсы напряжения двухполярные. 7 ил.

Способ управления быстродействующим электромагнитом, включающий формирование широтно-модулированных импульсов напряжения, подаваемых на электромагнит, и регулирование скорости движения якоря, отличающийся тем, что импульсы напряжения двухполярные.