Моментный вентильный электродвигатель Советский патент 1992 года по МПК H02K29/06 

-у

Ё

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прецизионных следящих системах. Целью изобретения является повышение стабильности момента по углу поворота ротора. С этой целью в моментный вентильный двигатель введены разделитель сигнала на целую и дробную части, постоянные запоминающие устройства, счетчик импульсов, дешифратор, логические схемы И, RS-триггер. Увеличено число регистров, дополнительных и основных перемножителей в каждом канале формирователя оптимальных значений фазных токов. Это позволило формировать эти значения как нелинейные функции угла поворота ее и момента М, что обеспечило получение требуемого электромагнитного момента при минимальных потерях в якоре, несинусоидальности МДС якоря и насыщении магнитопровОда. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прецизионных следящих системах.

Целью изобретения является повышение стабильности момента по углу поворота ротора.

На фиг; 1 представлена функциональная схема моментного вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - функциональная схема канала m-канального формирователя оптимальных значений фазных токов; на фиг. 3 - графики сигналов; на фиг. 4 - точки на плоскости ( а , М), значения функций в которых заносятся в регистры.

Моментный вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1 с m-фэзной якорной обмоткой 2 и ротором- индуктором 3. Каждая фаза якорной обмотки 2 подключена к выходу усилителя 4 через датчик 5 тока, выход которого соединен с

инвертирующим входом усилителя 4. На валу ротора-индукТора 3 установлен датчик 6 положения ротора. Электродвигатель содержит задатчик 7 момента М. Выход датчика 6 положения подключен к входу данных первого разделителя 8 сигнала на целую и дробную части. Электродвигатель снабжен вторым разделителем 9 сигнала на дробную и целую части. Выход дробной части И разделителя 8 сигнала подключен к объединенным входам че тырех постоянных запоминающих устройств 10-13 первой группы, в которых по адресу, определяемому цифровыми кодами дробной части а . записаны функции вида:

pi(a) о -0.5сГ -0.5 о3 , (р2.(а ) 1 - 2,5 о2 -1,5 , рз(а ) 0.5 а +2а 2 - 1,5 т3 . 0м(а) 0,5 о3-0,5 о2(1)

Х|

сл

00

СА) XI

В электродвигатель введены четыре постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) 14-17, в которых jjo адресу, определяемому дробной частью М, записаны функции вида:

pi(M) М2 - 0,5 М - 0,5 М3, #z(M)1 -2,5М2+1,5М3, з(М) 0,5М + 2М2-1,5М3, р4(М) 0,5 М3 - 0,5 М2

Объединенные входы ПЗУ 14-17 подключены к выходу дробной части М второго разделителя сигнала 9,

Электродвигатель содержит т-каналь- ный формирователь оптимальных значений фазных токов, каждый канал которого составлен из ПЗУ 18, блока 19 регистров, вычислительного блока 20.

В состав электродвигателя входят генератор 21 импульсов, первая и вторая логические схемы И 22, 23, введенные третья и четвертая логические схемы И 24, 25, инвертор 26, первый счетчик 27 импульсов, второй счетчик 28 импульсов, введенный третий счетчик 29 импульсов, первый дешифратор 30, введенный второй дешифратор 31 с шестнадцатью выходами, первый RS-триггер 32 и введенный второй RS-триг- гер 33.

Выход целой части разделителя сигнала 8 подключен ко входу данных счетчика 27 импульсов.

Выход задатчика 7 момента подключен ко входу данных разделителя 9 сигнала, выход целой части которого подключен ко входу данных счетчика 29 импульсов.

Выход генератора 21 импульсов подключен ко вторым входам схем И 22-24, инвертора 26 и счетчика 28 импульсов. Его два младших разряда выхода подключены ко входу данных дешифратора 30, а четыре младших разряда выхода - ко входу дешифратора 31. Выход инвертора 26 подключен ко входам синхронизации дешифраторов 30 и 31. Первый и шестнадцатый выходы дешифратора 30 подключены соответственно ко входам S.RRS-триггера 33, первый и четвертый выходы дешифратора 30 подключе- ны соответственно к входам S, RRS-триггера 32, инверсный и прямой выходы которого подключены к первым входам схемы И 22, 23. Их выходы подключены соответственно ко входу синхронизации счетчика 27 импульсов, ко входу схемы И 25 и ко входу прямого счета счетчика 27 импульсов. Инверсный и прямой выходы RS-триггера 33 подключены к первым входам схем И 25, 24, выход схемы И 24 подключен ко входам синхронизации счетчика 29 импульсов, разделителей 8,9 сигнала, а выход схемы И 25 - к суммирующему входу счетчика 28 импульсов.

Выходы счетчиков 27,29 импульсов подключены к группам линий младших и старших адресных входов постоянных запоминающих устройств 18 всех каналов формирователя оптимальных значений фазных токов.

В постоянных запоминающих устройствах 18 записаны по адресу (М, а) значения функций 3k(M-1, 5-1), , определяемых равенствами

(M,a) ik°

, ЭМ, (I .... ig,, а),3)

3lk 1

20

Мэ (Н°lm°, а)М

где Мэ - электромагнитный момент; М - требуемый момент;

h,...,m - токи фаз обмотки якоря;

Н°im° - оптимальные значения токов;

а- угол поворота ротора, рад;

а , а - целая и дробная части угла а ,

yc/i-gre:

М, М - целая и дробная части момента М., усл. ед.;

a /hrt}, а а /hoc- а ;

35

М ent {М/пм}, М М/пм - М;

ent - символ выделения целой части; п., пм - условные единицы измерения

угла а и момента М;

А- множитель Лагранжа. Каждый канал m-канального формирователя оптимальных значений фазных токов содержит первую группу из четырех регистров 34-37 (фиг. 2) и введенных трех групп регистров, каждая из которых составлена из четырех регистров соответственно 38-41, 42-45, 46-49; первую группу дополнительных перемножителей 50-53 и три введенных

группы дополнительных перемножителей, каждая из которых включает соответственно перемножители 54-57, 58-61; 62-65, основной четырехвходовый сумматор 66 и введенные три основных сумматоров 67-69.

Первый вход каждого из четырех перемножителей соединен с выходом одного из четырех сумматоров 66-69. Второй вход каждого из перемножителей 70-73 соединен с выходом одного из четырех постоянных запоминающих устройств 14-17 второй

группы. Выходы перемножителей 70-73 соединены со входами четырехвходового сумматора 74. Вход каждого из четырех сумматоров 66-69 соединен с выходами четырех дополнительных перемножителей 50- 53, 54-57, 58-61, 62-65 соответствующей группы. Первые входы дополнительных перемножителей 50-53, 54-57, 58-61, 62-65 упомянутых групп соединены соответственно с выходами регистров 34-37,38-41 ,42:45, 46-49 одноименных групп. Входы данных регистров 34-39 в каждом канале объединены и подключены к выходу постоянного запоминающего устройства 18 данного канала.

В одноименных группах регистров m каналов формирователя оптимальных значений фазных токов синхронизирующие входы одноименных регистров объединены и подключены к одному из шестнадцати в ы- ходов дешифратора 30.

Моментный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Датчик 6 угла поворота ротора 3 вырабатывает сигнала (t), поступающий-на вход данных разделителя 8 сигнала. Задатчик 7 момента вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемому моменту М и поступающий на вход данных разделителя 9 сигнала. По синхронизирующему импульсу С2, поступающему со схемы И 24, и раздел лителях 8,9 фиксируются целые части а , М сигналов и вырабатываются текущие значения дробных частей а , М. Целые части а , М поступают на входы данных предустановки счетчиков 27 и 29, а дробные части а , М - на адресные входы постоянных запоминающих устройств 10-13 и 14-17 соответственно, вырабатывающих сигналы tp-i( а) (а ) и р- (М) - (M), которые поступают на вторые и третьи группы входов вычисли- тельных блоков 20.

Генератор 21 импульсов вырабатывает прямоугольные тактовые импульсы высокой частоты ( 100 кГц) с периодом ги , поступающие на входы схем И 22-24, инвертора 26 и счетчика 28 импульсов (фиг. За). Его два младших разряда представляют двоичное число, изменяющееся от Ою до 3 ю с периодом г 4ги (фиг. 3,6) и поступающее на вход данных дешифратора 30. Четыре млад- ших разряда счетчика 28 представляют двоичное число, изменяющееся от Ою до 15ю с периодом 4 г (график величины, представляемой 3-м и 4-м разрядами, показан на фиг. 3,в). Эта величина поступает на вход данных дешифратора 31. Во время пауз между импульсами генератора 21 инвертор 26 вырабатывает синхронизирующие импульсы СО,

поступающие на входы синхронизации дешифраторов 30 и 31. При этом на одном из четьфех выходов дешифратора 30 вырабатывается импульс. Импульс с первого выхода поступает на вход S RS-триггера 32 и устанавливает его в состояние 1. Импульс с четвертого выхода дешифратора 30 поступает на вход R RS-триггера 3,2 и устанавливает его в состояние 0 (фиг, 3,г). Импульсы с первого и с шестнадцатого выходов дешифратора 31 поступают на S и R-входы RS-триггера 33 и устанавливают его в состоянии 1 и О соответственно (фиг. 3, к, м, д).

Когда RS-триггер 32 находится в состоянии О и от генератора 21 приходит импульс на схему И 22, на ее выходе формируется синхронизирующий импульс С1, поступающий на вход синхронизации счетчика 27 импульсов, который устанавливается в состояние а , зафиксированное в разделителе 8 сигнала. Когда триггер 32 находится в состоянии 1 и от генератора 21 приходит импульс на схему И 23, на ее выходе формируется импульс, поступающий на вход прямого счета счетчика 27. В результате на его выходе получаются последовательно цифровые коды а,а+1,а + 2,а+3 (фиг. З.е) с периодом т.

Когда RS-триггер 33 находится в состоянии О и от генератора 21 приходит импульс на схему И 24, на ее выходе формируется синхронизирующий импульс С2, поступающий на вход синхронизации счетчика 29 импульсов, который устанавливается в состояние М, зафиксированное в разделителе 9 сигнала. Когда RS-триггер 33 находится в состоянии 1 и от схемы И 22 приходит импульс С1 на схему И 25, на ее выходе формируется импульс, поступающий на вход прямого счета счетчика 29. В результате на его выходе получаются последовательно цифровые коды М, М+1, М+2, М+3 (фиг. 3,ж) с периодом 4 т.

Выходные коды счетчиков 27, 29 образуют группы младших и старших разрядов адреса, поступающего на постоянные запоминающие устройства 18, на выходах которых получаются величины рь (М+ j ,a + I), , j -1,0,1,2, i -1,0,1.2. Эти величины записываются в регистры 8, 13, 34-39 К-го блока 19 регистров (К 1т) по импульсам синхронизации, поступающим от первого-шестнадцатого выходов с дешифратора 31 на входы синхронизации регистров 34-39.

На фиг. 4 показана в координатах ,а, М текущая точка/, целые части ,а, М и дробные части а, М сигналов а , М ( усл. ед„ М 4 усл. ед.). Буквами Pi...Pi6 обозначены

точки на плоскости { а, М}, для которых в регистры 34-39 записаны значения функций pk (М, ,а).

Эти значения поступают на перемножители 50-65 соответственно, где они перемножаются со значениями сплайн-функций

pi(a) РА(С$ Произведения поступают

на входы сумматора 66-69, на выходах которых получаются суммы:

pk(M-fj,a-1) 4pi(a) + + k(M + j ,a) p2(a) + + pk(M + j, a + 1) 953(0) +

pk(M + j ,542) p4(a)/b(M+ ,a) -1,0,1,2.

Эти суммы интерполируют функции pk(M, а) в точках qi-q4 (фиг. 4).

Выходные сигналы сумматоров 66-69 поступают на входы перемножителей 70-73, где они перемножается со значениями сплайн-функций р (М) (М). Произведения поступают на входы сумматоров 74, на выходах которых получаются суммы:

(М - 1 , a) pi(M) + pk (M, a) pi (M) + (M + 1 , a) #з(М) +

+ pk(M + 2 , a) ) y(M,a) iЈ .

(5)

Сигналы li°im° с выходов вычислительных блоков 20 поступают на входы усилителей 4 мощности, которые с помощью датчиков 5 тока питают фазы 2 обмотки якоря токами И Н°im im°. При зтом синхронный электродвигатель 1 развивает электромагнитный момент Мэ М при минимальных потерях в обмотке якоря.

Равенства (3) получаются в результате решения методом множителя Лагранжа задачи на условный экстремум: найти токи ii°,...,lm°, обеспечивающие при текущем угле а поворота ротора требуемый электромагнитный момент при минимальных потерях в обмотке якоря, т.е.:

г(И2 + ... + im2)min

МЭ(НIm, ) М

Функция Лагранжа и условия ее стационарности имеют вид:

V г(И2 + ... + im2) + (И,., Im, a) - М ™ 2rh+A 4Ј-0

dV

5im

2 rim + A

5ii

1 ам

3im

Э

0

откуда следует

0 i б M,(ii ... .im , a)

IK Лs,,

Oik

K 1m

где г - активное сопротивление одной фазы обмотки якоря,

А А1/2г- множитель Лагранжа.

0

5

0

Формула изобретения Моментный вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с m-фазной якорной обмоткой и ротором-индуктором, на валу которого установлен датчик положения ротора, m датчиков тока, m усилителей, выход каждого из которых через соответствующий датчик тока подключен к одной из фаз якорной обмотки, инвертирующий вход каждого усилителя соединен с выходом соответствующего датчика тока, разделитель сигнала на целую и дробную части, вход данных которого подключен к выходу датчика положения ротора, выход целой части соединен с входом дан- ных первого счетчика импульсов, а выход дробной части - с объединенными входами четырех постоянных запоминающих устройств, синхронизирующий вход первого счетчика импульсов подключен к выходу первой логической схемы И, а суммирующий вход - к выходу второй логической схемы И, первые входы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами RS-триггера, вторые входы логических схем И объединены с входами инвертора и второго счетчика импульсов и подключены к выходу генератора импульсов, дешифратор, вход данных и синхронизирующий вход которого подключены соответственно к выходам второго счетчика

и инвертора, а первый и четвертый выходы - к S- и R-входам RS-триггера, задатчик момента, m-канальный формирователь оптимальных значений фазных токов, каждый канал которого составлен из постоянного запоминающего устройства, четырех регистров первой группы, основного перемножителя, четырехвходового сумматора и четырех дополнительных перемножителей первой группы, выходы которых подключены к входам четырехвходового сумматора, выходом соединенного с первым входом основного перемножителя, в каждом канале адресные входы регистров первой группы

объединены и подключены к выходу запоми- t нающего устройства данного канала, вход которого объединен с входами запоминающих устройств других каналов и подключен к выходу первого счетчика импульсов, в каждом канале первый вход каждого дополни0

5

5

тельного перемножителя первой группы соединен с выходом одного из регистров первой группы данного канала, вторые входы одноименных дополнительных перемножителей первых групп каналов объединены и подключены к выходу одного из четырех постоянных запоминающих устройств первой группы, выполненных с возможностью за- писи функций вида

(a) о2 -0,5 а -0,5 а3 ,

р2(а) 1 -2,5 а2 + 1,5о3 , , рз(а ) 0,5 а + 2 а 2 - 1,5 а3 ,

й(а) 0,5 ,5& отличающийся тем, что с целью повышения стабильности момента по углу поворота ротора, введены второй разделитель сигнала на целую и дробную часть, вход данных которого соединен с выходом задат- -чика момента, третья и четвертая логические схемы И, второй дешифратор с шестнадцатью выходами, третий счетчик импульсов, вход данных которого подключен к выходу целой части второго разделителя сигнала на целую и дробную части, синхронизирующий вход которого объединен с синхронизирующим входом третьего счетчика и подключен к выходу третьей логической схемы И, суммирующий вход третьего счетчика соединен с выходом четвертой логической схемы И, а выход третьего счетчика - с объединенными входами постоянных запоминающих устройств упомянутого формирователя, первые входы третьей и четвертой логических схем И соединены с инверсным и прямым входами второго RS-триггера, второй вход третьей логической схемы И соединен с выходом генератора импульсов, а второй вход четвертой логической схемы И - с выходом первой логической схемы И, S и R-входы второго RS-триггера подключены соответственно к первому и шестнадцатому выходу второго дешифратора, вход данных и синхронизирующий вход которого соединены соответственно с выходами второго счетчика импульсов и инвертора, четыре постоянных запоминающих устройств второй группы, выполненные с возможностью записи функций вида

pi(M) М2 - 0,5 М - 0,5 М3, р2(М)1-2,5М2+1,5М3,

рз(М) 0,5 М + 2 М2 - 1.5М3

(М) 0,5 И3 - 0,5 М2 Объединенные входы указанных постоянных запоминающих устройств подключены к выходу дробной части второго разделителя сигнала на целую и дробную части, каждый канал формирователя оптимальных

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

значений фазных токов снабжен тремя группами по четыре регистров, тремя группами по «етыре дополнительных перемножителей, тремя основными перемножителями и четырьмя четырехвходовыми сумматорами, адресные входы регистров введенных групп объединены и подключены к выходу постоянного запоминающего устройства данного канала, выполненного с возможностью записи функций вида k (М-1, а-1), в одноименных группах регистров всех каналов формирователя оптимальных значений фазных токов синхронизирующие входы одноименных регистров объединены и подключены к одному из шестнадцати выходов второго дешифратора, выход каждого регистра каждой из введенных трех групп подключен к первому входу соответствующего дополнительного перемножителя одной из трех введенных групп, вторые входы одноименных дополнительных перемножителей трех групп объединены и подключены к выходу одного из четырех постоянных запоминающих устройств первой группы, входы каждого из трех введенных четырехвходо- вых сумматоров подключены к выходам четырех дополнительных перемножителей одной из трех введенных групп, а выходы упомянутых трех четырехвходовыхсуммато- ров подключены к первому входу одного из трех введенных основных перемножителей, второй вход каждого из четырех основных перемножителей подключен к выходу одного из четырех постоянных запоминающих устройств второй группы, а выходы четырех основных перемножителей подключены к входам четвертого четырехвходового сумматора, выход которого соединен с управляющим входом соответствующего усилителя, причем

рк(М,а) 1к°

, д М (li.... lm . а)

dik

т;

Мэ(Н° lm°, а)М,

где Мэ - электромагнитный момент синхронного электродвигателя;

М - требуемый момент;

Иim - токи фаз обмотки якоря;

ii°im° - оптимальные значения фазных токов;

а- угол поворота ротора, рад.

а, а- целая и дробная части угла а , усл. ед.;

М,М - целая и дробная части момента М, усл. ед.

А - множитель Лагранжа.

гт

«VJ

oonL

CM

гсо со

in г рпппр

п.пппппппппп

U2. Ч