Способ управления вентильным электродвигателем Советский патент 1991 года по МПК H02P6/00 H02P6/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления, в частности в низкоскоростных следящих системах с мо- ментными вентильными электродвигателями.

Цель изобретения - упрощение способа управления.

На фиг. 1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя, на фиг 2-диаграмма, поясняющая формирование электромагнитного момента; на фиг. 3 - форма токов, формируемых в фазах якорной обмотки синхронной машины.

Вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1 с нечетным числом гальванически не связанных фаз якорной обмотки и датчиком 2 положения ротора на валу синхронной машины, выполненным в виде вращающегося трансформатора 3 с симметричной трехфазной выходной обмоткой, подключенной к трем входам коммутатора 4. Нулевой .вывод выходной обмотки датчика 2 положения ротора соединен с одним выходным выводом модулятора 5, второй вывод которого соединен с первым выводом выходной обмотки возбуждения датчика положения ротора, второй вывод которой подключен к четвертому входу коммутатора 4

Косинусная обмотка возбуждения подключена к входам фазочувствительного выо ю о

Ск

о

прямителя 6, выход которого, являющийся выходом датчика 2 положения ротора, соединен с первым входом порогового элемента 7 и с первыми входами блоков 8-10 коммутации, вторые входы которых объединены с входом инвертирующего элемента 11 и служат для подачи задающего напряжения (сигнал управления) Uy.

Выход инвертирующего элемента подключен к третьим входам блоков 8-10 коммутации, а выход порогового элемента 7 соединен с управляющими входами коммутации 4 датчика 2 положения ротора и управляющими входами блоков 8-10 коммутации, выходы которых соединены с входами усилителей 12-14 в цепи фаз якорной обмотки синхронной машины 1.

Рассмотрим принцип формирования электромагнитного момента, не зависящего от угла поворота ротора, на примере трехфазного двигателя с обмотками a, b и с (фиг. 2).

Пусть в фазах а и с протекают равные разнополярные токи величиной А, а ток в фазе b изменяется от -А до А, Распределение намагничивающихся (н.с.) соответствует векторам ОА.-.ОС и 0В. Будем считать, что абсолютные значения векторов н.с. выражены в относительных (единицах, поэтому |ОА| lOCl 1,a )ОВ| может изменяться от 0 до 1. Вектор OR представляет собой геометрическую сумму векторов ОА и ОС, а результирующий вектор OjR1 - геометрическую сумму векторов OR и 0В.

Предположим, что датчик положения установлен на валу двигателя таким образом, что, если принять за начало отсчета для угла а поворота ротора ось фазы С, то угол между продольной осью ротора и результирующим вектором н.с. статора равен

Р Ј+р-а,(1)

где ft - угол между вектором OR и осью фазы а.

Тогда величина

MHORllsln/ |6Rlfsln(-+/3l-a) (2)

однозначно соответствует относительному электромагнитному моменту двигателя, если принять в качестве базового момент, развиваемый двигателем при результирующем векторе н.с., равном н.с. фазной обмото JT

ки, и угле р ту .

Определим закон изменения тока фазы b при постоянных и рапных по модулю токах

TTf

в фазах а и с на интервале (0, ). Для того, чтобы электромагнитный момент двигателя

не зависел от угла о. , необходимо выполнение условия

)

Тогда, подставив а 2{ в (2), получим

0

Л л

M |OR |sln(-)

J я

OR jcos -f)

(4) Поскольку

/ Ј-/ Ј-агсо5№ агс81г в| 6 г 6юн

IOR I J5)

5 где /3 - угол между векторами OR и OR1 , то

я IOR л |™|

е

(6)

0Из (5) следует, чтр

sin ) - |ОВ|

M |OR | cos (| - arccos

lOR l

lOR l откуда

5|OB| HOR jsln -f).

(7)

(8)

Из прямоугольноготреугольника ORR1 учитывая, что RR1 OBJ , находим

30

|OR | /jTrnf -HOBf

Подставив (8) в (9), получим

(9)

|OR | +|OR |2 sin(-|) , (ю)

откуда

IOR)2 lORl2

|6R |2

1-sln2(-f) соз2(-Й

.01)

тогда

I OR I

lORl

(12)

40cos $ |)

Подставив (12) в (8), получим OB| -|OR|tg() 40RJtg(-g). (13)

Поскольку I OR| 2cos -r - . то

- tg(|-g ).(14)

Аналогичным образом можно получить выражение для интервала ( , ) . когда

вектор 0В имеет противоположное направление

|ОВ| V3 tg (f-g ). (15)

Выражения (14) и (15) позволяют записать закон изменения тока фазы b на интервале (0, -у-)

1ь (g-| ).

Тогда выражения для фазных токов la, 1ь, Ic (фиг. 3) на интервале (0, - ) имеют

вид

1а А,

.FT Hi Ct Я

ib V3A( 2-3 ),

Ic -A.

При этом электромагнитный момент двигателя постоянен и в относительных единицах равен согласно (6)

M |OR| vT 1,732.(18)

В точке а -т , ia ь А, 1С -А, а

результирующий вектор совпадает по направлению с вектором СГС. В этот момент полярность тока фазы а изменяется на противоположную. При этом вектор OR1 скачком перемещается в положение, совпадающее с положением вектора фазы Ь. При этом момент двигателя не изменяется, поскольку

П -т (19)

м |OR | sin OR

Sing V3

На следующем интервале (

2л Ал

3 3

повторяется ситуация, аналогичная рассмотренной, при этом разногюлярные токи в фазах а и b постоянны и равны по модулю амплитудному значению, а ток в фазе с изменяется по закону

lc VT Atg(f-$ )(20)

Выражения для токов на интервале

2л Ал 3 la -А, lb A,

) имеют вид

(21)

lc vTAtg( §-Ј).

Аналогичным образом можно записать

4 ж для интервала ( ,2л)

la VTAtg(f- ),

lb -A,(22)

lc A.

На последующих периодах частоты вращения рассмотренные выше законы изменения токов повторяются, при этом фазные токи имеют вид, изображенный на фиг. 3.

Угол / на каждом периоде частоты вращения изменяется по закону

..jr()(23)

Р-3 2+ 3

где j 1, 2, 3 - номер углового интервала на периоде частоты вращения.

Выражение (23) опредолярт ус. датчика положения на полу двигателя. При этом для известных значений гг и j датчик положения необходимо установить таким

5 образом, чтобы угол между продольной осью ротора и результирующим вектором н с. статора был равен величине ft , рассчитанной после подстановки аи j по формуле (23).

10 При таком способе управления обеспечивается поддержание постоянной величины электромагнитного момента независимо от положения ротора двигателя, при этом величина этого момента для трехфазного

15 двигателя составляет 1,732 относительно величины момента двигателя при значении результирующего вектора н.с., равного величине н.с. фазной обмотки, и при угле

„n . По сравнению с традиционной синусоидальной формой токов, где это значение составляет 1,5, величина электромагнитного момента для заданной амплитуды фазных токов увеличилась на

25 15,4%.

Аналогично изложенному можно определить законы формирования тока для любого нечетного числа фаз т, при т 1.

В общем случае, для создания электро30 магнитного момента в двигателе, величина которого не зависит от углового положения ротора, необходимо создать m-фазную систему токов, сдвинутых по фазе друг относи2л

35

тельно друга на угол

m

- , задать

длительность 2л

угловых интервалов

v.

m

для каждого периода частоты вращения в каждой фазе на первом угловом интервале, сдвинутом в каждой последующей фазе по отношению к предыдущей на

2л . угол - , формировать ток по закону

m

л

а

л

IA

l Act9lҐ 19(3-3),

по окончании первого углового интервала на следующих п угловых интервалах формировать ток по закону i А, по

0 окончании (п + 1}-го углового интервала на последующих m - (п + 1) угловых интервалах формировать ток по закону i -А. При этом датчик положения на валу двигателя необходимо установить таким образом, чтобы

5 угол между продольной осью ротора и результирующим вектором намагничивающей силы статора был равен

л(т + 1)а jr(j-1)

+ m

2т где j 1, 2,3т.

(24)

Например, для m 5, j)

2л m

, на

первом угловом интервале каждого периода частоты вращения закон изменения фазного тока имеет вид

i Actg- tg(-) 3.078Atg(f ) на втором и третьем угловых интервалах i А, а на четвертом и пятом угловых интервалах I -А. Датчик положения необходимо установить на валу двигателя таким образом, чтобы выполнялось соотношение

a jr(j-1),oc-i

Р-Ъ--Ъ+- (25)

где) 1,2,3,4,5.

На фиг. 3 изображены токи в обмотках пятифазного двигателя при данном способе управления.

Величина электромагнитного момента двигателя для m 5 составляет 3,078 относительно величины момента при значении результирующего вектора н.с., равного величине н.с. фазной обмотки. По сравнению с традиционной системой синусоидальных токов, при которой это значение для

составляет 2,5, величина электромагнитного момента увеличивается на 23,1%.

Способ реализуется следующим образом.

Предположим, что датчик положения установлен на валу двигателя таким образом, что в точке а 0 угол между осью первой фазы статора датчика положения и осью первой роторной обмотки датчика положения составляет тг . При этом первый

вход коммутатора 4 подключен к второму входу, а третий вход - к четвертому входу. В этом случае первый вывод первой роторной обмотки подключен посредством коммутатора 4 к выводу первой фазы статорной обмотки, а вывод второй фазы статорной обмотки через сопротивление подключен к выводу третьей.фазы статорной обмотки.

Такое соединение обмоток датчика положения соответствует режиму работы линейного вращающегося трансформатора, при котором напряжение возбуждения с выхода модулятора подается на соединенные последовательно первую обмотку ротора и обмотку первой фазы статора, а замкнутые через сопротивление обмотки второй и третьей фаз статора выполняют функцию компенсационной обмотки. При этом сопротивление, на которое замыкаются вторая и третья фазные обмотки, а также сопротивление, включенное в модуляторе последова- тельно с первой роторной обмоткой.

выбираются такими, чтобы суммарный магнитный поток второй и третьей фазных обмоток, направленный перпендикулярно магнитному потоку первой фазной обмотки,

и поперечный магнитный поток второй роторной обмотки были взаимно скомпенсированы.

При выборе коэффициента трансформации равным единице выходной сигнал второй роторной обмотки, преобразованный в фазочувствительном выпрямителе, на угловом интервале (0, --«- ) будет изменяться по о

5

закону

UB kUy5

sln(«-J) л

kUytg(Ј-Ј), (26) 14-cos(«-J) b

гдек km kB; km, ke- статические коэффици- 0 енты передачи модулятора и фазочувстви- тельного выпрямителя.

Согласно способу управления для m 3 коэффициент k следует выбрать k ctg

TJ-- ctg т- VcT . В этом случае в точке

а -т выходной сигнал фазочувствительного выпрямителя будет равен сигналу управления Uy, и как только UB превысит Uy,

0 сработает пороговый элемент 7, сигналом которого в коммутаторе 4 произойдет подключение первого вывода первой роторной обмотки к выводу второй фазы статора, а первая и третья фазы статора замыкаются

5 через сопротивление, т.е. первый вход будет подключен к третьему, а второй - к четвертому. При этом напряжение модулятора подается на последовательно соединенные первую обмотку ротора и обмотку второй

0 фазы статора, а замкнутые через сопротивление первая v, третья фазы статора выполняют функцию компенсационной обмотки. Тогда на следующем угловом 2л Аж

интервале { „ .. . } выходной сигнал

5J о

фазочувствительного выпрямителя будет изменяться по закону

и /TI i sin (а-л)рг,,/х 5л: .

UB UyT+cos(a4) )

0(27)

и, как только UB превысит значение Uy, на выходе порогового элемента 7 появится сигнал, который поступит на управляющий вход коммутатора 4, и в коммутаторе 4 про5 изойдет подключение первого входа к четвертому, а второго к третьему. При этом первая и вторая фазы статора замкнуты через сопротивление, а соединенные последовательно третья фаза статора и первая обмотка ротора подключены к выходу модулятора. Сигнал на выходе фазочувствитель- ного выпрямителя нз последнем угловом

Аж

интервале первого периода (

2 я )

изменяется по закону

5 л

sin (СЕ--ТГ-)„ с„

(О.)

1 + cos (с

(28)

На последующих периодах частоты вращения переключение обмоток датчика положения происходит аналогично. При этом на каждом периоде частоты вращения формируется зависимость

UB (M)L (29)

где j 1, 2, 3 - номер углового интервала периода частоты вращения.

Этот сигнал поступает на первые входы блоков 8-10 коммутации на вторые входы которых подается сигнал управления Uy, a на третьи входы с выхода инвертирующего устройства поступает сигнал -Uy.

При вращении ротора двигателя по окончании каждого углового интервала дли2л:тельностью -«- на управляющие входы

блоков 8-10 коммутации поступают сигналы с выхода порогового элемента 7, контролирующего длительность угловых интервалов. При этом в каждом из блоков 8-10 коммутации происходит поочередное подключение входной шины связанного с ним усилителя тока к каждой из трех входных шин блока коммутации. Причем в любой момент времени входные шины усилителей 12-14 тока подключены к различным входам блоков 9- 10 коммутации. Например, если на первом угловом интервале вход усилителя 12 подключен к второму входу блока 8, то вход усилителя 13 подключен к первому входу блока 9, а вход усилителя 14 - к третьему входу блока 10. В результате на входе усилителя 12 имеется постоянный сигнал, равный Uy, сигнал на входе усилителя 13 изменяется по закону (26), а сигнал на входе усилителя 14 равен -Uy.

По окончании первого интервала, после прихода сигнала с выхода порогового элемента 7, на втором угловом интервале усилитель 12 будет подключен к третьему входу блока 8 коммутации, усилитель 13 - к второму входу блока 9 коммутации, а усилитель 14-к первому входу блока 10. В этом случае на входе усилителя 12 имеется сигнал, равный -Uy, на входе усилителя 13 сигнал Uy, a

сигнал на входе усилителя 14 изменяется по закону (27).

В дальнейшем коммутация происходит аналогично.

Таким образом формируются входные

(задающие) сигналы усилителей тока, закон изменения которых на каждом угловом интервале соответствует требуемому закону изменения фазного тока (фиг. 2). В соответствии с этими сигналами на каждом угловом In

интервале

, длительность которого контролиоуется пороговым элементом 7, усили- тели 12-14 тока формируют в фазах

двигателя ток по закону, определяемому предложенным способом управления. То есть, в каждой фазе на первом угловом интервале каждого периода частоты вращения путем подключения связанного с ней усилителя тока к выходу фазочувствительного выпрямителя формируется ток по закону (для т 3)

,.Л , О. 7Г,..,(7Лч

I - Actg 7т tg( А v3tg( где А к: Uy; lo - статический коэффициент передачи усилителя тока.

По окончании первого углового интервала на последующих п угловых интервалах,

m - 1 где п 1, путем подключения вход ной шины усилителя тока к шине, на которую подается сигнал управления Uy, ток формируется по закону А, по окончании второго углового интервала (п 1)-го на последующих п m - (п + 1) угловых интервалах (г - 1) путем подключения входной шины усилителя тока к шине, на которую подается сигнал -Uy, ток формируется по закону i -А. За счет того, что на каждом

угловом интервале усилители 12-14 тока подключены к различным источникам сигналов (различным входам блоков коммутации), обеспечивается фазовый сдвиг токов в фазкIn

ных обмотках . 3

При этом датчик положения на валу двигателя должен быть установлен таким образом, чтобы на каждом периоде частоты вращения выполнялось соотношение (23),

соответствующее соотношению (24) при m 3. Для этого датчик положения на валу двигателя устанавливают произвольно, для какой-либо точки внутри периода частоты вращения, например а 0 (фиг. 2), определяют направление результирующего вектора н.с. путем геометрического сложения векторов фазных н.с., для а 0 результирующий вектор н,с, направлен вдоль оси фазы а (фиг. 1). По формуле (23) определяют требуемый угол /3 между результирующим

вектором H.I. и продольной осью ротора, в

О ,

случае а 0, j 1,/ . . При неизменном положении датчика положения поворачивают ротор двигателя таким образом, чтобы угол между результирующим вектором н.с, и продольной осью ротора был равен ,/}.

Для а - 0, j 1, ft , т.е. в

зависимости от направления вращения, продольная ось ротора должна совпадать либо с осью фазы с, либо с осью фазы Ь (фиг. 1). Установку требуемого угла ,(3 можно аналогичным образом провести также вращением либо ротора, либо статора датчика положения относительно ротора (вала) двигателя.

Величина момента, развиваемого двигателем, регулируется значением управляющего сигнала Uy. который задает амплитуду фазных токов А и, соответственно, величину результирующего вектора н,с.

За счет упрощения некоторых операций, сокращения их числа, а также использования одного источника нелинейного тригонометрического сигнала (датчик положения) устройство для реализации способа управления является более простым и содержит меньшее число функциональных блоков.

Формула изобретения Способ управления вентильным электродвигателем, выполненным в виде синхронной машины с нечетным числом гальванически не связанных между собой

фаз якорной обмотки и датчиком положения ротора на валу, при котором в каждом периоде частоты вращения на равных угловых интервалах длительностью -2л/т ток в

каждой фазе формируют по заданному закону с фазовым сдвигом 2 я/т в каждой последующей фазе относительно предыдущей, контролируя при этом длительность каждого углового интервала, отличаю щи и с я тем, что, с целью упрощения, в каждой фазе на первом угловом интервале, сдвинутом в каждой последующей фазе на угол 2 л/т относительно предыдущей фазы, формирование тока осуществляют по закону

Actg тҐ tg( а/2 - л/2 т), по окончании первого углового интервала

на следующих п угловых интервалах формирование тока осуществляют по закону I А. по окончании (п + 1)-го интервала на последующих m - (п + 1) интервалах формирование тока осуществляют по закону -А,

где m - число фаз якорной обмотки синхронной машины;

А - заданное значение амплитуды тока, A ki Uy;

О. - угол поворота ротора синхронной машины;

ki - статический коэффициент передачи усилителя тока в цепи якорной обмотки синхронной машины;

Uy - задающее напряжение (сигнал управления), подаваемое в обмотки якоря синхронной машины.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в низкоскоростных следящих системах Цель изобретения - упрощение способа управления С этой целью в способе управления вентипьным электродвигателем в каждой фазе на первом угловом интервале соответствующего периода частоты вращения ток формируют по закону I Actg 2 9( al 2 -п /2т), на следующим интервалах п (т - 1)/2 ток в каждой фазе формируют по закону i А, а на остальных m - (п + 1) интервалах - по закону i -A, где m - число фаз обмотки якоря синхронной машины, а- угол поворота ротора синхронной машины, А - амплитуда тока, определяемая из выражения А -Uy, где ki - коэффициент усиления соответствующего усилителя тока в фазах обмотки якоря, Uy - напряжение управления В этом случае число интервалов для формирования тока для обеспечения требуемого вращающего момента уменьшается, оно равно числу фаз обмотки якоря 3 ил сл / I

Ifl

Us

УЗ

Фиг. I