Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем

СОК 3 СОВЕТСНИСООИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН ВО 108 02 Р 5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а Х(Ц Ъ(5 х 1, 5 (,Чгде 5 а 1,а 1 О,ф (о,а(0,Где а - любое чи 5 - переменн зависит ротора элоя., от знака которо аправление вращени ектродвигателя; ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Московский ордена Трудового Красного Знамени текстильный институт им. А.Н.Косыгина(56 1. Авторское свидетельство СССЕ 9 824394, кл, Н 02 Р 7/62, 1981.2. Ивей К.А. Системы автоматического регулирования на несущей переменного тока. М "Машиностроение", 1968, с.95.(54571 УСТРОЙСТВО ДЛЯ .УПРАВЛЕНИЯДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, содержащее первый элементсравнения, тахогенератор, датчик пОложения на валу двигателя, блок задания и источник питания, причем кпервому и второму входам первого элемента сравнения соответственно подключены первый выход блока заданияи выход датчика положения на валудвигателя, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точностиуправления, в него введены второйэлемент сравнения, сумматор и трилогических блока, реализующих соответственно логические Функции Х 1 - отклонение углового положения ротора двигателя от заданной величины; дС - приращение степени затухания переходного процесс где С - время; 8,М, - константы интегросумматор, блок умнОжения, компаратор, блок вычисления модуля, коммутатор, модулятор, причем первые входы сумматора, первого и второго логических блоков, блока умножения, блока вычисления модуля подключены к выходу первого элемента сравнения, к первому и второму входам второго элемента сравнения подключены соответственно второй выход в блока задания и выход тахогенератора, а выход второго элемента сравнения подключен к второму входу сумматора, к третьему входу сумматора С подключен выход блока умножения, выход сумматора подключен к вторым входам первого и второго логических блоков и к входу компаратора, выход которого подключен к первому входу коммутатора, выходы первого, второго и третьего логических блоков соответственно подключены к первому, второму и третьему входам интегросумматора, а его выход подключен к второму входу блока умножения и к входу третьего логического блока, выход блока вычисления модуля подключен к второму входу модулятора, первый вход модулятора подключен к источнику питания, выход модулятора подключен к второму входу коммутатора и к обмотке возбуждения двигателя, выход коммутатора подключен к обмотке управления двигателя.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах следящих электроприводов с двухфазным асинхронным электродвигателем.известно устройство для управле ния двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее блок питания с двумя усилиТелями, подключенными к обмоткам возбуждения и управления (1), 10Недостатком известного устройства является небольшое быстродействие, что существенно ограничивает область его использования.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее первый элемент сравнения, тахогенератор, датчик голожения на валу двигателя, блок задания и источник питания, причем к первому и второму входам первого элемента сравнения соответственно подключены первый выход блока задания и выход датчика положения на валу,двигателя 23,Недостатком известного устройства является то, что уравнение линий переключения, реализуемое в устройстве, будет определять оптимальное по З 0 быстродействию движение системы лишь для одной точки на механической характеристике двигателя, а для остальных точек движения системы не будет оптимальным по быстродействию. 35По этой же причине устройство может потерять устойчивость, поскольку коэффициенты модели двигателя, являющейся основой оптимального по быстродействию алгоритма управле ния, являются переменными величинами, в частности определяются нелинейными механическими характеристиками электродвигателя, а алгоритм этого не учитывает.45Цепь изобретения - повышение точности управления двухфазным асинхронным электродвигателем.Укаэанная цел) достигается тем, что в устройство.для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее первый элемент сравнения, тахогенератор, датчик положения на валу двигателя, блок задания и источник питания, причем к первому и второму входам первого эле мента сравнения соответственно подключены первый выход блока задания и выход датчика положения на валу двигателя, введены второй элемент сравнения, сумматор и три логических 60 блока, реализующих соответственно логические функции 8(5 х, ), 5 )Я-Е) ХЦ, М 9(-аС),где 1,аэО, 5 ъ" о,ок о,где а - любое число;5 - переменная, знак которой определяет направление вращенияэлектродвигателя;К - отклонение углового положения ротора двигателя отзаданной величины;йС - приращение степени затуханияпереходного процесса х(О,где- время,Е,М - константы,интегросумматор, блок умножения, компаратор, блок вычисления модуля,коммутатор, модулятор, причем первыевходы сумматора, первого и второгологических блоков, блока умножения,блока вычисления модуля подключенык выходу первого элемента сравнения,к первому и второму входам второгоэлемента сравнения подключены соответственно второй выход блока задания и выход тахогенератора, а выходвторого элемента сравнения подключен к второму входу сумматора, ктретьему входу сумматора подключенвыход блока умножения, выход сумматора подключен к вторым входам первого и второго логических блокови к входу компаратора, выход которого подключен. к первому входу коммутатора, выход первого, второгои третьего логических блоков соответственно подключены к первому,второму и третьему входам интегросумматора, а его выход подключен квторому входу блока умножения и квходу третьего логического блока,выход блока вычисления модуля подключен к второму входу модулятора,первый вход модулятора подключен кисточнику питания, выход модулятораподключен к второму входу коммутатора и к обмотке возбуждения электродвигателя, выход коммутатора подключен к обмотке управления электродвигателя.На фиг.1 изображена структурнаясхема устройства для управлениядвухфазным асинхронным электродвигателем, на Фиг.2 а - типовые механические характеристики электродвигателя б - положение линии переключения на фазовой плоскости; на фиг.За, б, в - возможные варианты реализации выходного каскада "коммутатор-модулятор-электродвигатель"; наФиг.4 а,б,в - реализация первого,второго и третьего логических блоков; на Фиг.5 а,б,в,1- реализациясумматора, интегросумматора, компаратора и блока вычисления модуля..Устройство содержит (Фиг.1) двухфазный асинхронный электродвигатель1, коммутатор 2, первый элемент 3сравнения, датчик 4 положения итахогенератор 5 на валу электродви 1089747гателя 1, блок 6 задания, модулятор7, источник 8 питания, второй элемент 9 сравнения, компаратор 10,первый, второй и третий логическиеблоки 11,12 и 13,сумматор 14,блок 15умножения, блок 16 вычисления модуля, интегросумматор 17. Выходы тахогенератора 5 и датчика 4 положенияподключены к вторым входам соответственно второго и первого элементов сравнения 9 и 3,. первые входыкоторых подключены соответственнок второму и первому выходам блока 6задания. Выход первого элемента 3сравнения подключен к первым входамсумматора 14, логических блоков 11и .12, блока 15 умножения и к входублока 16 вычисления модуля. Вторыевходы логических блоков 11 и 12,входкомпаратора 10 подключены к выходусумматора 14, второй вход которогоподключен к выходу второго элемента9 сравнения, а третий вход подключен к выходу блока 15 умножения.Первый, второй и третий логическиеблоки 11, 12 и 13 своими выходамиподключены соответственно к первому,второму и третьему входам интегросумматора 17, выход которогоподключен к второму входу блока 15умножения и к входу третьего логического блока 13. Выход блока 16вычисления модуля подключен к второму входу,мопчлятооа 7, пеовый входкотооого подключен к источнику питания 8, выход модулятора 7 подключен к второму входу коммутатора 2и к обмотке 18 возбуждения (фиг.3 а ) электродвигателя 1, первый вход 5 15 20 10 25 30 35 паратора 10, выход коммутатора 2подключен. к обмотке 19 управленияэлектродвигателя 1.Выходной каскад "коммутатор-модулятор-электродвигатель" содержит(фиг.З а ) электродвигатель 1 с обмотками возбуждения и управления18 и 19, коммутатор 2, модулятор 7,источник 8 питания. Коммутатор 2содержит четыре ключа 20-23, конденсатор 24,На фиг.З б показана принципиальная электрическая схема ключей 2023. Она содержит диодный мост 25,транзисторы 26 и 27, оптрон 28, резисторы 29-32. На фиг.Зе изображенапринципиальная электрическая .схемаключей 21-22. Она содержит диодныймост 33, транзисторы 34-35, оптрон36, резисторы 37-40,реализация первого, второго и третьего логических блоков 11, 12 и 13 показана соответственно на фиг.4 а, 4 б и 4 в, Первый логический блок 11 содержит операционные усилители 41 и 42, диоды 43-46; резисторы 47-50, стабилитроны 51 и 405055 коммутатора 2 подключен к выходу ком 52, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 53, Второй логический блок 12 содержит операционные усилители 54-57, диоды 58-63, резисторы 64-75, стабилитрон 76. Третий логический блок 13 содержит операционный усилитель 77, диоды 78 и 79, резисторы 80 и 81, стабилитрон 82.На фкг.5 а,б,в,г изображены принципиальные электрические схемы соответственно сумматора 14, интегросумматора 17, коммутатора 10 и блока 16 вычисления модуля. Сумматор 14 содержит операционный усилитель 83 и резисторы 84-88. Интегросумматор 17 содержит операционные усилители 89-90, резисторы 91-98, конденсатор 99. Компаратор 10 содержит операционный усилитель 100, диоды 101 и 102, резистор 103. Блок 16 вычисления модуля содержит усилители 104 к 105, диоды 106 и 107, резисторы 108-113Устройство работает следующим образом.Сигналы задания углового положения и скорости ротора, поступающие с блока 6 задания сравниваются с текущими значениями этих величин, поступающими с датчика 4 положения и тахогенератора 5, соответственно в первом и втором элементах 3 и 9 сравнения. На выходах элементов 3 и 9 сравнения вырабатываются сигналы, пропорциональные отклонениям углового положения и угловой скорос" ти электродвигателя 1 от заданной величины. Сумматор 14, три блока 11, 12 и 13,интегросумматор 17, блок 15 умножения, компаратор 10 вырабатывают сигнал знака некоторой величины 5 1 см.ниже 1, а блок вычисления модуля 16 вырабатывает сигнал,пропорциональный 1 х,Эти сигналы поступают соответствейно на входы модулятора 7 и коммутатора 2, выходы которых соответственно подключены к обмоткам возбуждения 18 и управления 19 электродвигателя 1. Модулятор 7 и коммутатор 2 так меняют амплитуду и знак напряжения источника 8 питания, поступающего на обмотки 18 и 19, чтобы свести угловые рассогласо" вания к нулю, поддерживая высокое качество управления (см.ниже 1 при возможных изменечиях динамических параметров электродвигателя 1.Остановимся более подробно на алгоритме управления электродвигателем 1.Уравнение движения электродвигателя 1 в области рабочей точки имеет следующий вид:В=-а Е-Кц, (1) где О - действующее значение напряжения на обмотке управления электродвигателя;переменных параметрах электродвигателя,Элементы и блоки устройства работают следующим образом.Обмотка 19 управления (Фиг.З аэлектродвигателя 1 коммутируется четырьмя ключами 20-23 к выходу модулятора 7 таким образом, что знак действующего значения напряжения на обмотке 19 управления определяется знаком величины ц=Б 18 пЬ,поступающей на управляющие входы ключей 20-23-первый вход коммутатора 2. Величина действующего значения напряжения, поступающего на обмотку 19 управления с выхода модулятора 7, 15 второй вход коммутатора 2, пропорциональна (х). Таким образом, алгоритм управления электродвигателем 1 определяется выражением 4 ), Модулятор 7 выполнен, например, по балансной схеме. Действующее значение напряжения на его выходе пропорциональ но У(х, . Конденсатор 24 служит для созданйя сдвига между фазами напряжений на обмотках 18 и 19 электро двигателя 1, равного 90 эл.град. 10 Ключи 20 и 23 работают следующимобразом (Фиг.З б ).Диодный мост 25, управляемый тран-ЗОзистором 26 через транзисторный оптрон 28, открывается (закрывается )по сигналу О) 0 (Ос 0), поступающемуна базу транзистора 27, управляющийвход ключей 20, 23, 35Ключи 21 и 22 (Фиг.З в) работаютв противофазе к ключам 20,23,Оптроны 28,36 служат для гальванической развязки управляющих и силовых цепей выходного каскада "кЬммутатор-модулятор-двигатель". Резисторы схем ключей 20-23 служат для создания рабочего режима транзисторов.Логический блок 11 (Фиг 4 а ) вычисляет функцию 5(Х 5) и работает следующим образом. 45На выходах компараторов - операционные усилители 41 и 42, резисторы 47 и 48, диоды 43-46 - из входныхсигналов х 1 и 5, поступающих наих входы, выделяются сигналы, пропор циональные 1 рп хи БКп 5 , которыепосле их нормализации на схемах ограничения - резисторы 49 и 50, стабилитроны 51 и 52 - поступают навходы элемента ИСКЛЮЧАОЦЕЕ ИЛИ 53. уЛогика работы этого элемента обеспечивает вычисление функции 5(х 5)Логический блок 12 вычисляет функцию 5 ф)-Е(х,)н работает следующим образом.Схемы выделения модуля - операци-.онные усилители 54 и 55, диоды 58-62,резисторы 64-69 вычисляют величины -)х. )и )б из сигналов х и 9, поступающих на входы логического блока 12. Далее схемой на основе операционного усилителя 56 осуществляется суммирование сигналов с коэффициентами пе редачи соответственно "1" и Е, которые обеспечиваются соотношениями резисторов 70-73. Компаратор на основе операционного усилителя 57, диодов 62 и 63 и резистора 74 и схема ограничения - резистор 75, диод 76 выделяют из выходного сигнала суммирующей .схемы на величину, пропорциональную Яф 5ь ( "11)Логический блок 13 (фиг.4 в) вычисляет функцию М,5(-аС)от входного сигнала ЬС и работает следующим образом.На выходе компаратора на основе операционного усилителя 77, резистора 80, диодов 78 и 79 присутствует сигнал, эквивалентный в 1 КпЬС, а на выходе схемы ограничения - резистор 81, стабилитрон 82 - выделяется величина, соответствующаяМ 5(4 С),где Ю определяется напряжением стабилизации на стабилитроне 82.Сумматор 14 (фиг.5 а ) представляет собой трехвходовую суммирующую операционную схему с коэффициентами передачи по первому, второму и третьему входам соответственно Со, "1" и "1", определяемыми формулой (5 ).Интегросумматор 17 (фиг.5 б) вырабатывает величину ДС в соответствии с Формулой (8 ). Он состоит иэ сумматора - операционный усилитель 90, резисторы 95-98 и интегратора операционный усилитель 89, резисторы 91-94, конденсатор 99. Коэффициент о( задается резисторами 91-94 и конденсатором 99.Компаратор 10 (фиг.5 в ) вычисляет функцию ц =я 1 сп Б.Блок 16 вычисления модуля(фиг.5 г) вырабатывает величину, пропорциональную Ч )х),Он состоит из схемы выделения модуля на основе операционного усилителя 104 и усилителя на основе операционного усилителя 105. Клэффициентзадается отношением резисторов 112-111Схемы блоков и элементов устройства выполнены на основе типовых операционных схем.Таким образом, введение дополнительных блоков и связей позволяет осуществить адаптацию управления к изменяющимся в процессе работы динамическим параметрам электродвигателя, что дает возможность использовать предлагаемое устройство в следящих электроприводах высокой точности и быстродействия, 1 ОН 9347