Способ управления вентильным двигателем и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХС ОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН г(19) (11) 1)5 Н 02 К гн ГОСУДА ПО ИЗО ПРИ ГН РСТВЕННЫЙ КОМИТЕТРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬ)ТИЯМТ СССР А 2авной частоте импнала кодового датч с частотои, рвыходного сиг положения рот / кфана(56) Цоканов В.В, Реверсивный бесколлекторный электропривод постоянноготока с транзисторным коммутатором,Известия ВУЗ, Электромеханика",1964, У 7, с. 889-892.Патент Японии, кл. 55 А 42,В 9820, 1 957.Авторское свидетельство СССРУ 674163, кл. Н 02 К 29/02, 1974,(54)(57) 1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЬК ДВИГАТЕЛЕ 14 И УСТРОЙСТВО ДЛЯЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, содержащим синхронную машину, заключающийся в стабилизации углового положения векторатока статора относительно ротора цифровым методом, основанным на цифровом измерении фазы. между векторомтока, положение которого определяютпо выходным сигналам датчика тока, иосью стабилизации, угловое положениекоторой задается выходным сигналомкодового датчика на валу двигателя,с последующим сдвигом на зту величину угла коммутации силовых злементов,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения КПД, расширения Функциональных возможностей и улучшениякачества переходного процесса, в переходных режимах задают сигнал, соответствующий знаку вращающего момента, сравнивают его с выходнымсигналом кодового датчика положенияротора, и результирующим сигналомизменяют угловое положение оси стабилизации в направлении вектора. тока 2. Устройство для управления вентильным двигателем, содержащее инвертор с цифровыми входными шинами и шиной задания величины выходного многофазного напряжения,выходу инвертора подключен многозный двигатель с установленнымиего валу тахогенератором постоянного тока и кодовьм датчиком, состоящим из датчика положения ротора по числу Фаз двигателя, импульсного датчика и реверсивного счетчика, а к входным цифровым шинам инвертора подключен двухвходовой сумматор, на одном из входов которого установлен регистр с логической схемой последовательного ввода цифровых данных в него, логическая схема содержит три входные шины, первая из которыхсоединена с выходом формирователя датчиков тока в Фазах двигателя, а вторая входная шина соединена с вторым входом сумматора на входных ши-. нах инвертора) о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, в него введен второй двухвходовой сумматор, первый вход которого соединен с цифровыми шинами кодового датчика, второй вход соединен с цифровыми выходными шинами реверсивного счетчика, счетнъй вход которого соединен с выходом импульсного датчика и третьей входной шиной логической схемы,. входная шина режима работы счетчика соединена с входной шиной инвертора, а выходные шины второго сумматора соединены с вторым входом первого сумматора.Изобретение относится к управлениюэлектродвигателями, а именно к уп,равлению вентильньпк двигателем, включающим многофазную синхронную илисинхронно-реактивную машину с расположенным на ее валу кодовым датчикоми инвертором, силовые элементы которого управляются от сигналов этогодатчика, и может быть использовано вреверсивных следяще-регулируемыхэлектроприводах с цифровь 1 м управлением, которые применяются в различныхобластях народного хозяйства (электроприводы станков с ЧПУ, промышленныхроботов, автоматических линий и т.д.)Известны способы управления вентильным двигателем, основанные наразличчых методах стабилизации углакоммутации силовых элементов инвертора, регулирования его выходногонапряжения и скачкообразном изменении на 180 град эл.угла коммутацииПри смене знака электромагнитного момента, 25Основньпч недостатком этих способовуправления является невозможностьобеспечения высокого КПД синхронного. двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением на всех скоростях вращения, либо невозможность полученияодинаковых характеристик привода дляодного и другого направления движения. Еще более низкий КПД получаетсяпри использовании этих способов,когда в периоде устанавливается синхронно-реактивный двигатель, где кукаэанным проблемам добавляетсясложность его пуска.Необходимо также отметить -неуправляемый характер переходных процессов в двигателе при этих способахуправления, когда при изменении,полярности входных сигналов управления возникают значительные токи встаторных обмотках, а наличие продольной составляющей тока статораприводит к размагничиванию ротора.Наиболее близким по техническойсущнбсти к данному изобретению является способ управления многофазнымвентильным двигателем основанный настабилизацИи углового положения вектора тока статора по поперечной осиротора двигателя циФровым методом,55заключающимся в цифровом измеренииФазы между вектором тока статора ивыходным сигналом кодового датчикас последующим сдвигом на эту величину угла коммутации силовых элементов инвертора по направлению вращения двигателя, а также изменением на1180 град.эл.выходного: напряженияинвертора при смене знака электромагнитного момента и направления вращения.Из известных устройств для реализации этого способа управления наиболее близким по технической сущностиявляется устройство управления вентильным двигателем, Это устройствосодержит многофазную синхронную машину, на валу которой расположендатчик положения ротора с выходнымишинами, число которых равно числуФаз машины, а также импульсный датчикс двумя выходами, служащими для получения сдвинутых на/2, на Фазесигналов, счетчик, вход которого соединен с выходом импульсного датчика,а шина установки в исходное состояниесчетчика соединена через блок дифференцирования с выходными шинами датчика положения ротора, и многофазныйинвертор с цифровыми входными шинами,где в Фазе двигателя установлен датчик тока, выходная шина которого.соединена через блок формирования с управляющим входом регистра, а выходныешины датчика положения ротора и счетчика, а также выходные шины регистрасоединены с входными шинами сумматора,выход которого соединен с входными шинами инвертора, питающего многофазнуюсинхронную машину,Принцип работы этого устройствазаключается в том, что циФровые сигналы положения ротора поступают напервый вход сумматора, а на второйего вход подаются цифровые сигналыс регистра, куда последовательно вводится цифровой сигнал эквивалентныйуглу между вектором тока статора ипоперечной осью ротора, что обеспечивает разворот относительно роторацифровых сигналов на выходе сумматора.Цифровые сигналы на выходных шинахсумматора, которые Формируют многофазные выходные напряжения инвертора,при этом обеспечивают неизменностьнаправления вектора тока статора относительно поперечной оси ротора двигателя.Цель изобретения - повьпнение КПД,улучшение качества переходного процесса и расширение функциональных возможностей.73 6вектором потока ротора ф и векторомтока статора 1 поддерживается равным 90 град .эл на Фиг. 2векторная диаграмма с этим жедвигателея, когда этот угол отличается от 90 град.эл. при этом уголмежду вектором напряжения статора Пи тока 1, равен нулю Ц = 0) наФиг.З - векторная диаграмма вентильного двигателя с двухполюсной синхронно-реактивной машиной, когда угол.между вектором тока статора 1 и продольной осью ротора поддерживаетсяравным 5 445 град.эл. На этих чертежах показано также положение роторадвигателя относительно сигналов кодового датчика, емкость когорого принята равной 600. На Фиг, 4 представлена Функциональная схема устройства на Фиг, 5 - сигналы с выхода ко-.довбго датчика н циФровые сигналы,эквивалентные трехфазному коду сигвЕ,.Согласно способу управления вентильным двигателем, например, с двухполюсной синхронной машиной, заключающемуся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно ротора, например, по поперечной оси с (фиг.1)., на нулевой частоте вращения векторы Б и 1 совпадают по направлению с осью о. При этом направление вектора О по поперечной оси создается соответствующим выставлением кодового датчика относительчо ротора, Злектрнческий двигатель создает при этом максимальный момент положительного направления (против часовой стрелки). Приувеличении частоты вращения возникает угол (0 между вектором напряжения П и тока 1. Измеренное циФровое значение этого угла добавляется к циВ- ровым сигналам кодового датчика и циФровые сигналы результата сложения Формируют трехфазные напряжения, подаваемые на питание синхронного двигателя, что обеспечивает разворот вектора П по направлению вуащения двигателя. При этом вектор 1,остается всегда по направлению оси , что обеспечивает максимальный момент двигателя на всех частотах вращения. 8079 Поставленная цель достигается тем,что в способе управления вентильнымдвигателем, заключающемся в стабилизации углового положения вектора токастатора относительно положения роторадвигателя циФровым методом, основанным на циФровом сравнении выходныхсигналов датчика тока и датчика положения ротора с последующим сдвигом 10на эту величину угла коммутации силовых элементов, в переходных режимахзадают сигнал, соответствующий знакувращающего момента, сравнивают .его свыходными сигналами датчика положения 15и датчика тока и результирующим сиг"налом изменяют положения от стабилизации в направлении сектора тока счастотой, равной частоте импульсоввыходного сигнала кодового датчика положения ротора.В устройстве, реализующем данныйспособ управления, содержащем инвертор с циФровыми входными шинами ивходной шиной величины выходного напряжения, к выходу инвертора подключен двигатель с установленными на еговалу тахогенератором постоянного токаи кодовым датчиком положения,остоящим из датчика положения ротора, им- ЗОпульсного датчика и реверсивногосчетчика, а к входным цифровым шинаминвертора подключен двухвходовой сумматор, на одном из входов которогоустановлен регистр с логической схемой последовательного ввода циФровых35данных в него логическая схема со- .держит три входные шины, первая изкоторых соединена с выходом Формирователя с датчиков тока в Фазах двигателя, а вторая входная шина соединенас. вторым входом сумматора на входныхшинах инвертора, введен второй двухвходовой сумматор, первый вход которого, соединен с циФровыми шинами кодового датчика, второй .вход соединенЭс цифровыми выходными шинами реверсивного счетчика, счетный вход которогосаединен с выходом импульсного датчи. к и третьей входной шиной логическойсхемы, входная. шина режима работысчетчика соединена с входной шинойинвертора, а выходные шины второгосумматора соединены с вторым входомпервого сумматора,На фиг, 1 приведена векторная диаграмма вентильного двигателя с двухполюсной синхронной машиной, когда навсех скоростях вращения угол между Уравнения равновесия двигателяпри этом О = Е Г + Х 1 Е + 1 К1807973 7где Е 1 - ЗДС двигателя на номинальнойячастоте вращения,Е = Г/Г - относительное значениечастоты вращения,5К - сопротивление статорной обмотки",Х= Хц+ Х 1 - индуктивное сопротивление машины по поперечнойоси,10Х 4 - сопротивление реакции якоря,Х 1 - сопротивление рассеяния.Для смены знака момента и направления вращения, согласно способу управления,положение оси стабилизациитока статора изменяется (от положительного направления до поперечнойоси к отрицательному) разворотом еепротив направления движения роторадвигателя путем последовательногосуммирования к цифровым сигналамкодового датчика циФр от 599 до 3000этого же датчика что обеспечиваетразворот вектора тока 1 по отрицательному значению оси и и смену знака момента. При этом развороте возникаетпродольная составляющая тока статора,. которая направлена только на намагничивание ротора.,При смене направления врашечия 30двигателя, когда цифровые сигналыкодового датчика изменяются в обратном направлении (от 599 до О), цифровое выражение угла ( будет выдаваться в обратном коде и его добавление..к цифровым сигналам кодового датчикаобеспечивает также, как при прямомнаправлении вращения, разворот вектора напряжения 0 по направлению вращения. При этом вектор 1 будет всегда 40направлен по отрицательному значениюпоперечной оси о, что создает максимальный момент двигателя на всехчастотах вращения.Использование способа управления 45применительно к вентильному двигателюс синхронной машиной, когда стабилизация,углового положения вектора тока,статора осуществляется не под прямымуглом к продольноР оси, а под несколь 50ко большим (меньшим) углом (Фиг.2) неотличается от описанного выше. В этомслучае разворот оси стабилизации токастатора для прямого направления вращения 1 к оси для обратного направления вращения 11 осуществляется согласно способу правления путем последовательного суммирования к циФровымсигналам кодового датчика циФр этого же датчика от 599 до значения меньше 300Согласно способу управления веитильным двигателем, например, с двухполюсной синхронно-реактивной машиноР, заключающимся в стабилизации углового положения вектора тока статора относительно ротора по направлению 1 под углом Р к продольной оси (Фиг.3), на нулевой частоте вращения векторы П и 1 совпадает по направлению и двигатель создает момент в положительном направлении. При увеличении частоты вращения возникает угол у между векторами П и 1, Измеренное циФровое значение этого угла добавляется к цифровым сигналам кодового датчика и цифровые сигналы результата сложения Формируют трехфазные напряжения, подаваемые на питание синхронно-реактивного двигателя, что обеспечивает разворот вектора Б по направленик 1 вращения двигателя. При этом вектор 1 остается всегда по направлению 1 под углом ф к оси дУравнение равновесия двигателя при этомБ = 18, + 311 Х,1 Г .+ 11 Х Г (2)Согласно способу управления для смены знака момента и направления движения положение оси стабилизации тока статора, изменяется (поворот оси 1 по часовой стрелке до положения 11) против направления движения двигателя путем последовательного суммирования к цифровым сигналам кодового датчика циФр этого же датчика от 599 до значения, когда вектор тока статора установится по оси 11, что обеспечит изменение знака момента и т.д .Все сказанное выше в равной мере относится и к двигателю с линейным движением, а также к двигателю с большим числом пар полк 1 сов, Так, например, в макетном образце устроР- ства, реализукщим данный способ управления, был применен синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов при числе пар полюсов 2 р = 12.Устройство для управления вентильным двигателем содержит: многоФазныйинвертор 1 с циФровыми входными шинами 2, шиной 3 управления величинойвь 1 ходного многофазного напряжения ивыходными шинами 4 многофазных напряжений 0, О, Б, которые подключены к статорным обмоткам синхронного двигателя 5; на одном валу с двигателем установлены тахогенератор 6постоянного тока и кодовый датчик 7Ук входным шинам 2 инвертора подклю.чен двухвходовый сумматор 8, на пер;вом входе 9 которого установлен регистр 1,0, состоящий из реверсивногосчетчика 11 и логической схемы 12последовательного ввода цифровых данных в него, первый вход 13 логической схемы 12 соединен с вторым входом 14 сумматора 8 и выходом второгодвухвходового сумматора 15, второйвход 16 схемы 12 соединен с выходомФормирователя прямоугольных сигналов17 с датчиков тока в фазах двигателя18, а третий вход 19 схемы 12 соеди.нен с выходом одного из узлов ходоного датчика 7, первый циФровой вход15 соединен с цифровым выходом 20кодового датчика 7, второй цифровойвход 15 соединен с циФровыми выходными шинами реверсивного счетчика 21, 25счетный вход которого соединен с выходом импульсного датчика 22, который вместе с реверсивным счетчиком23 составляет кодовый датчик 7, авход впадания режима работы счетчика21 соединен с входной шиной 3 инвертора. На входную шину 3 подаетсясигнал разности между входным сигналом нацряжения и сигналом тахогенератора.35Вход 1 9 логической схемы 1 2 соединен с выходом импульсного датчика 22.Принцип работы схемы устройства .рассмотрим для случая применения внем синхронного двигателя, когда осуществляется стабилизация угловогоположения вектора тока статора попоперечной оси ротора. При этом прием, что кодовый датчик положения выдает на электрическом обороте цифровые сигналы от 0 до 599.Пусть положительная полярность напряжения на входной шине 3 инверторасоответствует созданию положительногознака электромагнитного момента двигателя 5 и устанавливает режим работы счетчика 21 на суммирование импульсов датчика.22. При этом счетчик21 установлен в нулевое положение.На нулевой частоте вращения векторытока и напряжения совпадают по направлению, а поскольку в регистр 1 О " также установлено нулевое. значение,то цифровые сигналы кодового датчика 7 проходят без изменения через сум-маторы 1 5 и 8 на входные циФровыешины 2 инвертора. Этисигналы Формируют на выходных шинах 4 инверторатрехфазные напряжения Юф, Ю, Ю,питающие синхронный двигатель 5, Приэтом векторы напряжения и тока статора расположены по поперечной оси ротора и положительный момент синхронного двигателя максимален. Привращении двигателя импульсы с кодового датчика 22 поступают в реверсивный счетчик 21, но его переключенияне происходит поскольку для режимасуммирования нулевое состояние счетчика осуществляет блокировку на егодальнейшее переключение. Следователь"но, в этом случае цифровые сигналыкодового датчика 7 поступают без изменения на входные шины 14 сумматора 8; а сигналы старшего разряда(, Я, О, кроме этих вхбдныхшин поступают на входные шины 13 логической схемы 1 2. В 12 производитсяизмерение Фазы между трехфазными сигналами, Я 4, Я и такими же по Форме трехфазными сигналами, которыесФормированы из токов Фаэ в блоке17 При отставании прямоугольных сигналов тока от сигналов на входной шине 1 3, что происходит при увеличениичастоты вращения, логическая схемапропускает сигналы датчика импульсов22 на вход счетчика 11 для суммирования. Появление цифровых сигналовна выходных шинах счетчика 1.1 приводит к развороту веКтора напряжения, которое Формируется .в инверторе1 от цифровых сигналов 8, по направлению вращения двигателя. тот разворот производится до тех пор докапрямоугольные трехфазные сигналы токас выхода 17 не совпадут с прямоугольньии сигналами. (1, , Ястаршегоразряда датчика 7. Этому моменту соответствует установка вектора токастатора строго по поперечной оси ф(Фиг.2). В это время схема 12 запрещает поступление импульсов на счетчик11 и в нем хранится число, пропорциональное углу Ч между вектором тока 1и вектором напряжения О. Если в результате изменения нагрузки либо снижения частоты вращения произойдетуменьшение угла (, то прямоугольныетрехфазные сигналы тока с выхода 17будет опережать прямоугольные сигналына входной шине 13 и логическая схе 807973 12ма 12 пропустит сигналы датчика 22импульсов в счетчик 11 для режимаВычитания. Это будет продолжатьсядо тех пор пока вектор тока статоране .будет .установлен по поперечнойоси и. Этот процесс поддержания вектора тока статора по поперечной осипроисходит непрерывно. При этом сравнение совпадения сигналов на входныхшинах 16 и 13 может производится какпо одной Фазе, так и по любому числуФаз двигателя одновременно. Следовательно, при вращении двигателя налюбой скорости и любом значении нагрузки сохраняется положение векторатока статора синхронкой машины попоперечной оси, когда момент двига-.теля максимален, а КПД достаточновысок20%4При смене знака момента, что соответствует изменению полярности на входной шине 3 инвертора, изменяется режим работы счетчика 21: он пере водится в режим вычитания, В этом режиме он вычитает импульсы.с выхода импульсного датчика 22. Из нулевого положения он последовательно переходит в положение 599 до 300, когда 30 дальнейшая работа счетчика в режиме вычитания прекращается блокировкойПоявление циФровых сигналов от 599 до 300 на выходных шинах 21 приводит к разВороту циФроВых сигналоВ кОДОВО го датчика, которые передаются через 15, относительно ротора против направления Вращения. Во время разворота этих сигналов происходит изменение оси стабилизации вектора тока 40 статора, относительно которой регистр 1 0 поддерживает все время неизменным направление вектора. При циФровомсигнале на выходе 21 соответствующем циФре 300 разворот оси стабилизации прекращается, Этому соответствует изМенение сигналов.кодового датчика на выходных шинах15 на инверсные Ц 0 О . При этомдвигатель будет развивать максимальный момент другого знака,При переводе вектора тока статораот,направления по оси и к направлению по отрицательному значению этойоси появляется продольная составляю-щая тока статора 1,1 которая направлена только на намагничивание роторамашины.В результате действия электромагнитного момента другого знака двигатель изменит направление вращения,где работа блок-схемы устройства происходит аналогичным образом,Таким образом, предложенный способ позволяет:1 . Осуществлять стабилизацию вектора тока статора по оси расположенной под любым оптимальным углом кпродольной оси ротора, что ведет ксохранению высокого КПД на всех частотах вращения.2. Испольэовать в этом оптимальном режиме не только синхронную машину, но и синхронно-.реактивную, которая наиболее проста и технологична,3, В переходных режимах обеспечитьтолько намагничивание ротора синхронного двигателя, что не дает возможности произойти необратимому размагничиваник постоянных магнитов и ведет к улучшению массо-габаритных локазателей,