СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2007 года по МПК H02P7/29 G05B11/01 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам регулирования электрических двигателей с шаговым вращением ротора, и может быть применено, в частности, для высокоточного позиционирования оптических устройств: предметного стола микроскопа и др.

Известен способ импульсного управления электроприводом (Нагорский В.Д. Управление двигателями постоянного тока с помощью импульсов повышенной частоты, "Изв. АН СССР. Отделение технических наук", 1960, Т.2). Способ управления частотой вращения или вращающим моментом электродвигателей постоянного тока основан на периодическом подключении и отключении его обмотки от питающего напряжения. Например, при замыкании коммутатором цепи питания двигателя он разгоняется, при размыкании - тормозится статическим моментом нагрузки. Среднее значение частоты вращения определяется относительным временем включения напряжения питания и нагрузкой, т.е., меняя продолжительность импульса питающего напряжения, можно регулировать частоту вращения в широких пределах. Недостаток способа: нестабильность регулировочной характеристики и, как следствие, низкая точность управления движением.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ управления электроприводом постоянного тока (Патент РФ №2258297, МПК 7 Н02Р 5/06, 2003 г.), в котором повышение точности стабилизации скорости и текущего положения вала достигается введением обратной связи с вычислительным устройством, формирующим закон управления силовым преобразователем с учетом данных датчика скорости. Недостаток способа в том, что система регулирования эффективно управляет усредненными динамическими характеристиками электропривода и недостаточно эффективна в переходной области: при разгоне и торможении. Именно эти режимы преобладают в системах высокоточного позиционирования, а не стабильность скоростного режима движения.

Заявленное изобретение предназначено для повышения точности позиционирования в электроприводе с импульсным питанием двигателя постоянного тока. Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - предложить способ оптимизации работы обратной связи электропривода для переходных режимов: при разгоне и торможении, исключив полностью режим равномерного движения. Это возможно только в шаговом режиме при полной остановке между периодами движения. Технический результат, который может быть получен при этом - достижение высокой точности позиционирования простыми средствами.

Технический результат достигается тем, что в известном способе управления электроприводом постоянного тока, состоящим в том, что двигатель подключают к источнику питания коммутатором, управляемым сигналом с широтно-импульсной модуляцией, сформированным вычислительным устройством обратной связи по результату сравнения данных датчика исполнительного устройства с данными цели, согласно изобретению интервал между импульсами питания превышает время торможения до полной остановки двигателя.

Для получения технического результата - увеличения скорости движения в шаговом режиме, согласно изобретению при отключении источника питания коммутатор замыкает обмотку двигателя на нагрузочное сопротивление. Это позволяет сократить время, затрачиваемое на торможение.

Представим перемещаемую платформу в виде некоторой массы М, в которую входит инерциальная масса ротора двигателя, масса предметного стола и инерциальная масса редуктора. Если в какой-то момент времени обмотка двигателя подключается к источнику питания и на массу М начинает действовать сила F, превышающая силу трения покоя F_Т

F≥F_T,

то платформа переместится за время t на расстояние S

Здесь а - ускорение

Работа W, выполненная источником питания двигателя за время t, W=FS=UIt, где

U - напряжение питания двигателя;

I - ток двигателя;

t - время подключения двигателя к источнику напряжения.

Можно представить S в виде

где R - действующее сопротивление обмотки двигателя.

Из последнего выражения следует, что путь, пройденный платформой в режиме ускорения, есть функция напряжения на обмотке двигателя, действующего сопротивления обмотки двигателя, эквивалентной массы и времени, в течение которого обмотка подключена к источнику питания

Таким образом, S есть функция времени, т.е. функция длительности импульса питания двигателя. Все остальные параметры можно представить в виде константы. Из выражения для S не следует, что принципиально определен минимальный шаг ΔS перемещения платформы. Этот шаг будет определен многими параметрами - соотношением между массой, силой трения покоя и трения скольжения, жесткостью системы, ударными эффектами вследствие люфта и др. Оценка этого параметра сложна. Экспериментально определить ΔS достаточно просто.

Очевидно, также, что можно задать пройденный путь не только временем действия напряжения, но и изменением величины этого напряжения. Однако этот случай - гипотетический, т.к. пройденный путь всегда будет зависеть от времени и вводить новую переменную не имеет смысла.

Следующий этап движения, включаемый в один шаг, - этап торможения до полной остановки. Для этого по окончанию временного интервала разгона двигателя напряжение питания отключается, а обмотка ротора нагружается на сопротивление, рассеивающее энергию в режиме торможения - для мощного двигателя, для маломощного допустим режим короткого замыкания. Двигатель переходит в режим принудительного торможения до полной остановки. Изменяя временной интервал разгона, можно изменить величину шага.

Предложенный режим работы двигателя постоянного тока позволил решить основную задачу - осуществить поворот ротора двигателя на дискретную, произвольно малую величину, которой можно управлять. При этом остается возможным получение максимального крутящего момента двигателя, так как к обмотке подключается полное напряжение питания.

При наличии движителя с такими возможностями проблема движения к цели с высоким разрешением и проблема устранения люфта механической системы вполне разрешимы. Для этого необходимо иметь высокоточный датчик положения платформы и электронную систему слежения с обратной связью. Разностный сигнал между значением цели и сигналом датчика положения используется для формирования сигнала управления двигателем. Программное обеспечение управляет работой следящей системы с обратной связью.

В качестве датчика положения использовалась электронная измерительная система промышленного измерителя «ЦИ 0-150 мм/0,01 мм» фирмы INSTRIMPEX. Стандартная конструкция была модифицирована для выполнения измерений по координатам Х и Y предметного стола микроскопа "MOTIC".

Заявляемое изобретение относится к электротехники и может быть использовано в устройствах регулирования электрических двигателей с шаговым вращением ротора для высокоточного позиционирования оптических устройств: предметного стола микроскопа и др. Техническим результатом является достижение высокой точности позиционирования простыми средствами. В способе управления электроприводом постоянного тока двигатель подключают к источнику питания коммутатором, управляемым сигналом с широтно-импульсной модуляцией, сформированным вычислительным устройством обратной связи по результату сравнения данных датчика исполнительного устройства с данными цели, при этом интервал между импульсами питания превышает время торможения до полной остановки двигателя. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ управления электроприводом постоянного тока, состоящий в том, что двигатель подключают к источнику питания коммутатором, управляемым сигналом с широтно-импульсной модуляцией, сформированным вычислительным устройством обратной связи по результату сравнения данных датчика исполнительного устройства с данными цели, отличающийся тем, что интервал между импульсами питания превышает время торможения до полной остановки двигателя.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отключении источника питания коммутатор замыкает обмотку двигателя на нагрузочное сопротивление.