Электромеханический привод с механической характеристикой, адаптивной к действию нагрузки Российский патент 2022 года по МПК H02P29/40 H02P7/00 H02P1/04 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах приводов летательных аппаратов, робототехники опорно-поворотных устройствах и в других системах управления движением, для которых энергомассовые показатели имеют актуальное значение.

Известны электромеханические приводы (ЭМП) одноканальные и многоканальные различного назначения, содержащие в каждом канале каскад усилителей, электродвигатель с датчиком тока и положения ротора, механический редуктор, а также датчики положения и скорости выходного вала.

В этих схемах все датчики указанных и других параметров используются в корректирующих обратных связях для достижения различных желаемых статических и динамических характеристик (Проектирование следящих систем. Под редакцией Л.В. Рабиновича, рис. 3.36, изд-во Машиностроение, М., 1969, Патент RU 2655723, Опубл. В Бюл. №16, 2018 г.).

Обратные связи по току или моменту вводят для корректировки упругостей электрических и механических передач (повышение жёсткости – крутизны моментных характеристик), а связи по скорости для повышения быстродействия и качества переходных процессов.

Однако перечисленные корректирующие обратные связи по указанным параметрам не использовались (в технической литературе не обнаружено) для корректировки потребляемой мощности источника электрической энергии в зависимости от действующей нагрузки, т.е. известные ЭМП не адаптивны по мощности к действию нагрузки.

Технической задачей и целью предлагаемого изобретения является улучшение энергомассовых показателей за счёт регулирования потребляемой мощности в зависимости от действия нагрузки, т.е. создание ЭМП обладающего свойством адаптивности по мощности к действию нагрузки.

Располагаемая мощность ЭМП характеризуется площадью предельной механической характеристики электродвигателя (ЭД), ограниченной значениями момента пуска (где - пусковой момент ЭД; q – передаточное отношение механического редуктора) и скоростью холостого хода (где - скорость холостого хода ЭД) при максимальном значении сигнала управления .

Условием преодоления ЭМП действия нагрузки, изменяющейся по некоторому закону (гармоническому, произвольному или др.), является расположение всех значений моментов нагрузки и скоростей нагрузки внутри плоскости, ограниченной этой механической характеристикой.

На фиг. 1 приведены графики механической характеристики ЭМП и нагрузочной характеристики при гармоническом сигнале управления – эллипсе нагрузки.

Как видно на фиг. 1 механическая характеристика контактирует с нагрузочной только в одной точке.

Эта точка свидетельствует о том, что располагаемая мощность ЭМП полностью тратится (без учёта потерь) и примерно равна требуемой мощности. В остальных точках плоскости при одинаковом моменте имеет место разность скоростей .

Если формировать механическую характеристику так, чтобы при каждом значении скорости были примерно равны, т.е. механическая характеристика контактировала бы с нагрузочной во всём диапазоне изменения скорости, то можно сократить (сэкономить) энергоресурс (ёмкость батареи, а следовательно, и массу) источника электрического питания.

Известно, что механическая характеристика ЭМП, например, с ЭД постоянного тока описывается уравнением

,

где - коэффициент противо-ЭДС; - коэффициент момента; - активное сопротивление обмотки якоря.

Если учесть, что

,

где - потребляемый ток ЭД, то

.

Скорость нагрузки можно получить с датчика скорости вала тахогенератора или путём дифференцирования сигнала с датчика положения выходного вала ЭМП.

В результате разность скоростей можно реализовать в виде: .

Технический результат достигается тем, что в ЭМП, содержащим электронный усилитель, исполнительный электродвигатель с датчиком тока, а также датчики положения и скорости выходного звена привода, сформирована и введена обратная связь на вход электронного усилителя по разности напряжений, соответствующей разности скоростей между располагаемой предельной механической и требуемой нагрузочной характеристиками для фиксированного значения момента, при этом, требуемая скорость реализуется в виде сигнала с датчика скорости выходного вала привода, а располагаемая скорость реализуется по сигналу с датчика тока электродвигателя по зависимости

,

где - максимальное напряжение сигнала управления; - коэффициент противо-ЭДС; - коэффициент момента; - активное сопротивление обмотки якоря.Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой и графиками.

На фиг. 1 приведены графики неадаптивной механической характеристики и нагрузочной характеристики при гармоническом сигнале управления в относительных координатах: - относительная координата текущего момента; - относительная координата текущей угловой скорости.

На фиг. 2 приведена функциональная схема ЭМП адаптивного к нагрузке с предлагаемой обратной связью по разности скоростей.

На фиг. 3 изображены графики экономической эффективности при гармоническом и произвольном сигналах управления.

Функциональная схема ЭМП содержит последовательно расположенные: электронный блок 1, в который входят усилительное 2 и суммирующие устройства 3 и 4; исполнительный электродвигатель 5; механический редуктор 6 и датчики обратных связей: по току 7, которым является активное сопротивление в цепи якоря ЭД 5, электрически подключённого к сумматору 4 через вычислитель 8; по скорости выходного вала – тахогенератор (ТГ) 9, обмотки которого подключены к сумматору 4; по положению выходного вала – датчик обратной связи (ДОС) 10, подключённого к сумматору 3 электронного блока 1.

В вычислитель 8 вводятся параметры исполнительного двигателя 5: коэффициент противо-ЭДС , коэффициент момента и активное сопротивление и запрограммировано вычисление скорости в зависимости от тока .

ЭМП работает следующим образом. На вход электронного блока 1 подаётся сигнал , например, в виде гармонического или сигнала произвольной формы. В результате вычитания в сумматоре 3 сигнал с датчика обратной связи на вход усилителя 2 поступает сигнал управления .

Для наглядности представления работы ЭМП примем, что усилитель работает по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), т.е. в усилителе формируется скважность импульсов пропорциональная сигналу управления. При отсутствии сигнала управления скважность γ = 0, при максимальном сигнале управления скважность γ = 1.

Амплитуда импульсов напряжения на выходе усилителя выбирается из условия, что скорость нагрузки и требуемая мощность, при фиксируемом моменте, равны без учёта потерь мощности, располагаемой ЭМП. Равенство скоростей и моментов свидетельствует о совпадении механической характеристики с нагрузочной. При любой скважности для каждой скорости располагаемая скорость превышает требуемую.

При наличии импульса напряжения на обмотке ЭД по ней течёт ток, и вычислитель в соответствии с величиной тока рассчитывает по формуле допустимую скорость при располагаемом моменте. Сигнал с вычислителя 8 подаётся на сумматор и из него вычитается напряжение с датчика скорости выходного вала – тахогенератора 9. Сигнал по разности скоростей поступает в усилитель и изменяет величину амплитуды импульса в соответствии (пропорционально) с этой разностью. В результате ЭМП с введённой обратной связью по разности скоростей потребляет энергию в соответствии с действием нагрузки, сокращая её расход. Или другими словами формирует механическую характеристику ЭМП адаптивную к действию нагрузки.

Для оценки эффективности экономии энергии составлена математическая модель предлагаемого ЭМП и проведено моделирование его работы при гармоническом и произвольном законах управления. Результаты моделирования в виде графиков приведены на фиг. 3, где:

- - относительная координата текущего момента;

- - относительная координата процента экономии электрической энергии;

- - площадь под кривой для предельной механической характеристики ЭМП;

- - площадь под кривой для адаптивной предельной механической характеристики ЭМП;

- площадь под кривой для предельной механической характеристики ЭМП;

- - для эллипса нагрузки;

- - для произвольного закона нагрузки.

Из приведённых графиков следует, что ЭМП с механической характеристикой адаптивной к действию нагрузки потребляет энергии на 15…38% меньше, чем с неадаптивной, в которой не используется обратная связь по разности скоростей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах приводов летательных аппаратов, робототехники опорно-поворотных устройствах и других системах управления движением, для которых энергомассовые показатели имеют актуальное значение. Технический результат заключается в повышении энергомассовых показателей за счёт регулирования потребляемой мощности в зависимости от действия нагрузки, т.е. создание ЭМП обладающего свойством адаптивности по мощности к действию нагрузки. Технический результат достигается за счет введения обратной связи по разности скоростей располагаемой и требуемой, осуществляя потребление мощности от источника в зависимости от действия нагрузки, т.е. обеспечивая электромеханическому приводу адаптивность к действию нагрузки. Электромеханический привод содержит электронный усилитель, исполнительный электродвигатель с датчиком тока, механический редуктор, а также содержит датчики положения и скорости выходного вала. Сформирована и введена обратная связь на вход электронного усилителя по разности напряжений, соответствующей разности скоростей между располагаемой предельной механической и требуемой нагрузочной характеристиками для фиксированного значения момента. Требуемая скорость реализуется в виде сигнала с датчика скорости выходного вала привода, а располагаемая скорость реализуется вычислителем по сигналу с датчика тока электрического двигателя по зависимости , где - максимальное напряжение сигнала управления; , - параметры ЭД соответственно: коэффициент противо-ЭДС, активное сопротивление якоря. 3 ил.

Электромеханический привод с механической характеристикой, адаптивной к действию нагрузки, содержащий электронный усилитель, исполнительный электродвигатель с датчиком тока, механический редуктор, а также датчики положения и скорости выходного вала, отличающийся тем, что сформирована и введена обратная связь на вход электронного усилителя по разности напряжений, соответствующей разности скоростей между располагаемой предельной механической и требуемой нагрузочной характеристиками для фиксированного значения момента, при этом требуемая скорость реализуется в виде сигнала с датчика скорости выходного вала привода, а располагаемая скорость реализуется вычислителем по сигналу с датчика тока электрического двигателя по зависимости , где - максимальное напряжение сигнала управления; , - параметры ЭД соответственно: коэффициент противо-ЭДС, активное сопротивление якоря.