Появившиеся в конце прошлого века моментные электродвигатели сейчас широко применяются как в редукторных приводах, так и в прямом приводе, особенности которого рассмотрены в февральском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2012 г. Наиболее распространены бесконтактные моментные двигатели с постоянными магнитами на роторе, различные варианты конструкции которых рассмотрены, например, в октябрьском выпуске того же журнала за 2007 г. Традиционная методика выбора электродвигателя для любого привода давно известна. Для этого вычисляется усредненная механическая мощность, необходимая для движения объекта управления (рабочего механизма) с заданными скоростями и ускорениями в различных режимах работы. Далее выбирается максимальное значение этой мощности, называемое требуемой мощностью, которое сравнивается с номинальной мощностью на валу двигателя, указанной в его паспортных данных или даже на его шильдике. Однако для бесконтактных моментных двигателей проблема состоит в том, что для них такой параметр, как номинальная мощность, обычно не указывается.
Для пояснения проблемы выбора моментного двигателя рассмотрим типовую конструкцию классического коллекторного двигателя постоянного тока, показанную на рисунке 1.
Рис. 1
В корпусе с постоянными магнитами на статоре установлен ротор с подшипниками и щеточно-коллекторным узлом. Обмотка двигателя, называемая якорем, размещена на роторе, поэтому все тепло за счет потребляемого электрического тока выделяется только в роторе, поскольку постоянные магниты сами не нагреваются. Все это тепло отводится от ротора в корпус, в основном через воздух с торцов и через воздушный зазор, поскольку через подшипники и щетки поток тепла незначителен. Далее корпус двигателя охлаждается конвекцией воздуха, а часть тепла уходит через торец корпуса, которым двигатель соединяется с конструкцией привода. Таким образом, точный расчет температуры обмотки как основного повреждающего фактора при различных моментах, скоростях и режимах (например, частом реверсировании) весьма сложен, поскольку изменяются условия теплоотвода. Поэтому разработчики коллекторных электродвигателей испытывают двигатель в каком-то одном, так называемом номинальном режиме (в номинальной точке), с номинальными моментом, скоростью и мощностью, на валу, который и рекомендуют потребителю. Превышение усредненного момента нагрузки или механической мощности на валу двигателя больше номинального значения не допускается, даже если, например, двигатель используется при температуре окружающей среды ниже максимально допустимой, или потребитель обдувает двигатель воздухом или устанавливает на его корпус радиатор. Это объясняется тем, что прямой пересчет температуры обмотки в новой точке, отличной от номинальной, затруднен, поэтому требуются новые испытания двигателя в этой новой точке. Таким образом, для классических коллекторных двигателей постоянного тока назначение номинальной мощности на валу двигателя как основного фактора при его выборе по традиционной методике вполне оправдано. Положение не сильно меняется для встраиваемого моментного двигателя коллекторного типа. Например, на рисунке 2 показан такой моментный двигатель компании Kollmorgen.
Рис. 2.
Здесь все тепло по-прежнему выделяется в роторе и отводится в основном через окружающую воздушную среду и частично – через вал ротора, не показанный на рисунке. Поэтому и здесь выбор двигателя по номинальной мощности вполне оправдан.
Совершенно иную конструкцию имеют бесконтактные моментные двигатели, например, двигатели серии STK компании Alxion (рисунок 3) или серии ДБМ компании «Машиноаппарат» (рисунок 4). В таких двигателях, в отличие от двигателей классической конструкции, обмотка размещена на статоре, а магниты – на роторе. Поэтому все выделяющееся тепло легко отводится на корпус привода.
Рис. 3.
Рис. 4.
По характеру нормирования параметров бесконтактные моментные двигатели могут быть номинального и интенсивного использования. В первом случае аналогично двигателям классической конструкции для фиксированной схемы включения и управления задаются номинальные рабочий режим и механическая мощность на валу, которые гарантируются либо для двигателя без корпуса (при конвективном теплообмене), или при рекомендуемой конструкции теплоотвода. Например, моментные двигатели компаний Siemens или Ruch Serwomotor снабжаются дополнительным жидкостным охлаждением. Пример такого двигателя серии 1FW6 компании Siemens показан на рисунке 5, где в центре хорошо видны патрубки для подвода охлаждающей жидкости.
Рис. 5.
Таким образом, в двигателях номинального использования функциональные возможности двигателя сильно ограничены, однако выбор таких двигателей может производиться по классической методике.
В отличие от двигателей номинального использования бесконтактные моментные двигатели интенсивного использования как правило:
Очевидно, что при традиционном номинальном использовании в этом случае потребовалось бы задавать множество номинальных режимов и точек, в каждой из которых двигатель нужно испытывать отдельно. Чтобы этого избежать, разработчики бесконтактных моментных двигателей интенсивного использования разрешают любые схемы включения, управления и режимы – при условии, что максимальная температура обмотки никогда не превышает заданного предельного значения (для моментных двигателей серий ДБМ и ДБМВ это +150 °С). Таким образом, под интенсивным использованием понимается возможность эффективного применения двигателя во всех условиях и режимах. Однако при этом у потребителя возникают две проблемы:
Оба этих вопроса рассматриваются в следующем разделе.
Методика выбора бесконтактного моментного двигателя включает следующие этапы:
Первые два этапа требуют построения механической характеристики моментного двигателя в виде зависимости частоты вращения ротора n и мощности на валу P от вращающего момента M. Пример такой характеристики показан на рисунке 6, где: nх – частота вращения холостого хода, Mп – пусковой момент, а Pмакс – максимальная механическая мощность на валу двигателя, определяемая по формуле:Pмакс = 0,25 Mп nх .
Рис. 6.
В выбранной рабочей точке (режиме) А двигатель будет развивать рабочий вращающий момент Mр при рабочей частоте вращения nр и рабочей механической мощности на валу Pр. В двигателях номинального использования рабочая точка определяет номинальный режим двигателя, назначаемый разработчиком двигателя чаще всего в точке максимума КПД, лежащей левее точки максимальной механической мощности на валу. Для двигателей интенсивного использования рабочая точка может быть выбрана потребителем в любой точке механической характеристики: от режима холостого хода до пускового режима, в том числе и в точках максимума КПД или максимальной механической мощности на валу. Однако очевидно, что для исполнительных двигателей, т. е. двигателей сервоприводов и приводов регулируемой скорости, в отличие от нерегулируемых приводов, КПД не является решающим показателем, поскольку такой двигатель должен обеспечивать прежде всего точность и быстродействие привода. Рассмотрим простой пример. Известно, что взрослый мужчина может толкать неисправную легковушку (или даже пустой двухосный вагон). Но если попросить его остановить у крыльца с точностью в 1 см, это будет воспринято как дурная шутка. Между тем тот же мужчина легко подведет карандаш на бумаге к заданной точке с ошибкой менее 1 мм. Отсюда следует известное практическое правило: чем точнее привод, тем он должен быть менее нагружен. Очевидно, что и для быстродействия двигатель должен располагать большими запасами по моменту. Это же правило следует и из теории нелинейных систем автоматического управления. Рассмотрим, например, регулировочную характеристику двигателя постоянного тока, т. е. зависимость частоты вращения n от управляющего напряжения U при большом моменте нагрузки, показанную на рисунке 7.
Рис. 7.
Ясно, что двигатель не запустится, пока управляющее напряжение не превысит напряжение трогания Uн, определяемое моментом нагрузки. Предельное значение скорости nмаксограничено допустимым максимальным напряжением питания. Мерой нелинейности этой характеристики является отношение Uмакс/Uн. Очевидно, что чем она выше, тем привод ближе к линейному, и тем вероятнее возможность обеспечить его высокую точность, плавность и быстродействие. Применительно к моментным двигателям мерой нелинейности привода является коэффициент линейности (называемый иногда коэффициентом плавности), равный отношению пускового момента к рабочему:kпл = Мп / Мр.Значение коэффициента линейности рекомендуется выбирать в пределах:kпл = 3 – 20,где минимальное значение этого коэффициента назначается для простых, не очень точных приводов, а максимальное – для особо точных следящих или регулируемых приводов. С этой точки зрения ситуация, показанная на рисунке 7, является неприемлемой, поскольку здесь kпл = 2.Таким образом, выбор коэффициента линейности определяет рабочую точку А двигателя, и если за рабочую механическую мощность на валу принять требуемую мощность двигателя Pр = Pтр, то на рисунке 6 легко найти максимальную механическую мощность на валу по формуле:P_макс=P_р (kпл^2)/4(kпл-1) . Это позволяет легко выбрать из каталога подходящий типономинал моментного двигателя по его максимальной механической мощности на валу. Затем, построив его механическую характеристику, можно вычислить рабочую частоту вращения двигателя и необходимое передаточное отношение редуктора с учетом его КПД и нужных запасов по скорости.Для прямого привода редуктор отсутствует, поэтому моментный двигатель выбирается по требуемому пусковому моментуМп ? kпл Мтр,где Мтр – требуемый момент объекта управления (рабочего механизма). Этап выбора типономинала двигателя завершается нахождением мощности электрических потерь в обмотке статора. Для этого по известным методикам вычисляется эквивалентный (среднеквадратичный) момент двигателя, зависящий от рабочего режима, а по нему – амплитуда фазного тока статора и мощность электрических потерь в обмотке (потерь в меди) Pэ. Необходимо, однако, учитывать, что при работе в режиме вентильного двигателя помимо синфазной составляющей тока, образующей вращающий момент, в обмотке протекает квадратурная составляющая тока, вызванная запаздыванием в электронной части. Кроме того, дополнительный нагрев вызывают высокочастотные составляющие фазных токов за счет негармонической формы тока, широтно-импульсной модуляцией и т. д. Расчет теплоотвода (радиатора) проводится методом электротермических аналогий. Для этого установившийся процесс отвода тепла от обмотки в окружающую среду представляется в виде упрощенной цепи, показанной на рисунке 8, где:Tоб, Tст, Tр и Tср – установившиеся значения температуры обмотки, посадочной поверхности статора двигателя, радиатора и окружающей среды соответственно;Rт, Rп и Rр – тепловые (называемые иногда термическими) сопротивления двигателя, перехода статор – радиатор и радиатора соответственно.
Рис. 8.
Как видно из приведенного рисунка, в методе электротермических аналогий температура является аналогом напряжения, мощность электрических потерь – аналогом электрического тока, а тепловое сопротивление – аналогом электрического сопротивления цепи. Тепловое сопротивление моментного двигателя интенсивного использования указывается в его паспортных данных. Тепловое сопротивление перехода статор – радиатор может быть уменьшено плотной посадкой, специальными пастами и смазкой, поэтому составляет обычно малую величину. Тепловое сопротивление радиатора или корпуса привода, в который встраивается моментный двигатель, подлежит определению и указанию в техническом задании на конструировании радиатора. Пример электропривода линейного движения с моментным двигателем типа ДБМ и радиатором приведен на рисунке 9.
Рис. 9.
Для расчета требуемого теплового сопротивления радиатора в соответствии с рисунком 8 задаются допустимой температурой обмотки Тоб (которая должна быть ниже предельной максимально допустимой температуры для данного типа двигателя, например, 150 °С) и определяют установившуюся температуру статора и требуемое тепловое сопротивление радиатора и перехода статор – радиатор.
По тепловому сопротивлению радиатора или корпуса с помощью известных методик определяют их конструкцию, а также решают вопрос о необходимости дополнительного обдува или жидкостного охлаждения. Для предотвращения перегрева обмотки в корпус встраивается термореле или датчик перегрева, как это показано, например, для прямого привода в февральском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2012 г. Разумеется, справедливость тепловых расчетов следует подтвердить испытаниями опытного образца.
controlengrussia.com
ЕПИФАНОВА Л.М., ЕПИФАНОВ О.В., МИКЕРОВ А.Г.
НОВЫЙ РЯД МОМЕНТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
ОАО ППТФ «ЭЛМА-Ко», Санкт Петербург, a.mikerov@ieee.оrg
Бесконтактные моментные двигатели с постоянными магнитами на роторе широко
применяются в бесконтактных моментных приводах малой мощности (до 1 кВт) различных
отраслей промышленности и обороны страны [1 – 5]. В режиме вентильного двигателя они
обладают линейными механическими и регулировочными характеристиками и высоким
быстродействием, присущим коллекторным двигателям постоянного тока, отличаясь от них
гораздо большей надежностью и сроком службы, особенно в тяжелых и экстремальных
условиях эксплуатации систем авиационной, космической, железнодорожной и морской,
техники, объектов оборонного назначения.
Вентильные двигатели малой мощности встраиваемого исполнения для конкретных
специальных задач начали проектироваться в 70-х годах во ВНИИЭМ, НИЭМ (г. Миасс),
ЦНИИАГ, ЦНИИКП, ЦНИИэлектроприбор и на других предприятиях страны. В это же время
на заводе «Машиноаппарат» по заказу ЦНИИАГ (В.Н. Бродовский, Ц.Л. Садовская)
создаются моментные двигатели более широкого применения типа ДМВ. На базе этих машин
по заданию ряда предприятий «Ленинец», «Фазотрон», «Геофизика», «Полет» и ЦНИИАГ
разрабатывается большая серия пазовых и гладких двигателей ДБМ. Двигатели
проектировались под руководством М.М Минкина специалистами СКБ завода
«Машиноаппарат» Ю.М. Беленьким, В.Н. Матвеевой, и др. Параллельно во ВНИИМЭМ шла
разработка датчиков положения ротора (редуктосинов) серии ВТ (разработчики Л.М.
Епифанова, В.Н. Куликов и др.). Первые Госкомиссии по приемке двигателей ДБМ120 -
ДБМ185 и датчика ВТ120 прошли в 1984 г., после чего сразу началось их серийное
производство. Серия двигателей ДБМ производится ОАО «Машиноаппарат» до сих пор,
пополнившись новыми рядами 2ДБМ и 3ДБМ.
С конца 80-х годов на мировом рынке появились аналогичные бесконтактные моментные
двигатели встраиваемого исполнения известных компаний Alxion, Axsys, ETEL, Inland
(Kollmorgen), Moog, Parker, Ruchservomotors, Transmotec, и др., которые к настоящему
времени по ряду характеристик существенно превосходят двигатели серии ДБМ. Основным
энергетическим показателем моментного двигателя является коэффициент статической
добротности по моменту (или статическая добротность), выражающий удельный момент,
развиваемый двигателем на единицу массы и единицу потребляемой мощности [6, 7]. По
этому показателю, как показано в работе [7], моментные двигатели ДБМ уступают
аналогичным двигателям диаметром 38 – 254 мм компаний Inland (Kollmorgen), Axsys, Moog,
Parker и ETEL в 1,7 – 3 раза. В моментных двигателях нового ряда 3ДБМ, разработанных
ОАО «Машиноаппарат», коэффициент статической добротности по моменту увеличен в 1,3 –
1, 5 раза отчасти вследствие замены самарий кобальтовых магнитов более мощными
магнитами типа «нежебор». Однако все отечественные марки магнитов «нежебор» пока не
обеспечивают уровни долговечности, стойкости к спецфакторам и температурной
стабильности, необходимые для многих объектов оборонной техники.
По динамическим показателям (постоянным времени) двигатели серии ДБМ имеют по
сравнению с зарубежными аналогами соизмеримые, а, в ряде случаев, и меньшие
электромагнитные постоянные времени, но существенно большие электромеханические
постоянные времени [7]. Это объясняется тем, что двигатели серии ДБМ проектировались,
преимущественно, для безредукторных систем, т.е. для так называемого «прямого» привода,
где основное значение имеет электромагнитная постоянная времени, поскольку в таких
приводах объект управления соединен напрямую с ротором двигателя, многократно
увеличивающим его момент инерции. Однако практика показала, что двигатели ДБМ стали
применяться большей частью в редукторных или, по крайней мере, «малоредукторных»
приводах, например, с одной парой в зубчатой передаче. Здесь уже решающее значение имеет
www.researchgate.net
полюсов и относительного диаметра машины. Изменение магнита и обмотки потребует
решения новой оптимизационной задачи. При этом следует учитывать, что серийно
выпускаемые датчики положения и скорости ВТ и ТС, специально разработанные для
двигателей ДБМ, имеют число пар полюсов (электрической редукции) 4 и 8 [5]. Таким
образом, переход в новых двигателях к иным числам полюсов требует серьезного обос-
нования.
Третьим способом повышения статической добротности моментного двигателя
можно считать увеличение относительного объема меди («медный» двигатель). Из-
вестным следствием этого способа является существенное повышение постоянной вре-
мени фаз, что видно, например, из табл. 2. Двигатель 3 «Inland Motors” вдвое превосхо-
дит двигатель ДБМ 1 по статической добротности, но имеет почти десятикратную по-
стоянную времени. Для подтверждения этого факта заводом «Машиноаппарат» были
изготовлены образцы «медного» двигателя ДБМ140 с диаметром 140 мм, массой 2,3 кг,
моментом 15,2 Нм при статической добротности 0,28 Нм/кг Вт
0,5
. Его постоянная вре-
мени оказалась 3,2 мс. Однако, повышение постоянной времени фаз вызывает нелиней-
ность (провал) механической характеристики, снижение полезной мощности на валу,
затрудняет динамическую коррекцию систем управления [11]. Таким образом, и этим
способом можно пользоваться с осторожностью.
К важным вопросам проектирования относится также выбор числа фаз. Иссле-
дования завода «Машиноаппарат» показали, что при распределенной обмотке с целым
числом пазов характеристики одного и того же двигателя с двух и трехфазной обмот-
ками совершенно одинаковы. Аналогичные зубцовые обмотки могут потребовать раз-
ной конструкции статора. Двигатели ДБМ являются преимущественно двухфазными,
что определило структуру электронного узла большинства потребителей. Двухфазными
же являются датчики ВТ и ТС. Следует, однако, отметить, что для приводов с 16 раз-
рядными микроконтроллерами (Intel, Siemens, Texas Instruments, Motorola) управление
вентильным двигателем может быть легко организовано при любом числе фаз [10, 11].
Необходимо также обратить внимание на секционность фаз. Разделение каждой
фазы двухфазных ДБМ позволяет потребителю создать пять различных схем включе-
ния обмотки, вдвое повысить против базовой схемы скорость и момент и, следователь-
но, вчетверо мощность на валу, что широко используется на практике [4]. В отличие от
этого все двигатели “Inland Motors” имеют фиксированную трехфазную схему обмотки
(без вывода нейтрали), что существенно снижает их функциональные возможности [9].
Таким образом, целесообразность секционирования фаз несомненна. Что касается
трехфазной обмотки, то, как показано в [10], ее секционирование позволит создать 25
схем включения обмотки, втрое повысить против базовой схемы скорость и момент и,
следовательно, в 9 раз мощность на валу. Такая схема уже использована заводом «Ма-
шиноаппарат» в высоковольтных двигателях 2ДБМ (на 270 В). Однако 12 различных
выводов обмотки может усложнить конструкцию статора.
Весьма важно подумать и об увеличении потребительской доступности и при-
влекательности новых двигателей ДБЕ. Большинство зарубежных компаний поставляет
не только синхронную машину в бескорпусном и корпусном исполнениях, но также
оснащают ее, по желанию потребителя, комплектом датчиков положения, скорости и
электронных
www.researchgate.net
Таблица 2. Параметры двигателей ДБМВ
Тип двигателя
Сопротивление
секции фазы, Ом
Пусковой ток, А
Пусковой момент,
Нм
Частота вращения
при холостом
ходе, мин-1
Максимальная
механическая
мощность, Вт
Электромеханичес
кая постоянная
времени, мс
Электромагнитная
постоянная
времени, мс
Коэффициент
статической
добротности, Нм/
(кг√Вт)
Коэффициент
момента, Нм/А
Тепловое
сопротивление
статора, °С/Вт
Число пар
полюсов
ДБМВ50-0,025-2 11,30 0,60 0,05 1700 2,2 9,2 0,5 0,18 0,12 11,90 8
ДБМВ50-0,025-3 3,10 2,18 0,151 3400 13,4 7,2 0,5 0,18 0,07 12,30 8
ДБМВ50-0,05-6 0,76 8,88 0,317 6800 56,4 7,3 0,5 0,18 0,035 11,50 8
ДБМВ70-0,16-1,7 1,20 5,63 0,818 1450 31,0 8,8 0,5 0,18 0,145 5,47 8
ДБМВ70-0,16-3,4 0,30 22,50 1,89 2900 143,5 7,0 0,5 0,18 0,084 5,19 8
ДБМВ100-0,5-0,9 0,90 7,50 2,27 850 50,5 5,4 1,6 0,18 0,30 3,78 10
ДБМВ100-0,5-1,9 0,24 28,13 4,54 1700 202,0 5,2 1,6 0,18 0,16 3,69 10
ДБМВ120-1-0,26 2,42 2,79 2,79 245 17,9 6,5 2,0 0,18 1,00 1,66 10
ДБМВ120-1-0,5 0,55 12,27 6,14 490 78,8 6,0 2,0 0,18 0,50 1,61 10
ДБМВ120-1-1,0 0,131 51,53 12,6 990 326,5 6,0 2,0 0,18 0,24 1,60 10
ДБМВ150-4-0,36 0,460 14,67 11,7 340 104,1 4,1 4,0 0,23 0,80 1,28 10
ДБМВ150-4-0,7 0,110 61,36 24,5 680 436,1 5,0 4,0 0,23 0,40 1,27 10
ДБМВ150-4-1,9 0,014 482,14 66,5 1815 3159,3 4,8 4,0 0,23 0,14 2,53 10
ДБМВ185-10-0,2 0,32 21,09 25,0 210 137,4 2,8 6,0 0,23 1,18 1,42 16
ДБМВ185-10-0,45 0,08 84,38 53,1 420 583,8 2,7 6,0 0,23 0,63 1,02 16
ДБМВ185-16-0,04 2,40 2,81 17,2 29,5 13,3 2,1 6,0 0,35 6,10 0,354 16
ДБМВ185-16-0,06 1,10 6,14 25,2 55,5 36,6 2,0 6,0 0,35 4,10 0,349 16
ДБМВ185-10-0,15 0,21 32,14 53,6 150 210,4 2,0 10,0 0,35 1,67 0,629 16
ДБМВ185-10-0,3 0,08 84,38 106,8 305 852,6 1,3 10,0 0,35 1,26 0,511 16
ДБМВ240-100-0,02 0,22 30,68 219,2 22,5 129,1 1,1 10,0 0,35 7,14 0,024 28
www.researchgate.net
Изобретение относится к электротехнике, в частности к бесконтактным моментным приводам на базе синхронных электродвигателей, и может быть использовано при разработке электроприводов для систем автоматического управления летательными аппаратами. Техническим результатом изобретения является упрощение электропривода путем формирования сигнала управления синхронным электродвигателем с помощью математической модели электродвигателя и математической модели датчика положения ротора электродвигателя. 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к бесконтактным моментным приводам (БМП) на базе синхронных машин, и может быть использовано при разработке электроприводов для систем автоматического управления летательными аппаратами.
Известен электропривод на базе синхронной машины с m-фазной обмоткой на статоре и постоянными магнитами на роторе, работающий в режиме вентильного электродвигателя, то есть замкнутого обратной связью по положению ротора (см. Беленький Ю.М., Микеров А.Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода. Л., ЛДНТП, 1990 г., стр. 4). При этом сигнал углового положения ротора получают с отдельного датчика положения ротора (ДПР) различного типа (редуктосин серии ВТ, датчик Холла, фотоэлектрический и т.д.).
Недостатком подобного электропривода является необходимость дополнительного конструктива в виде ДПР, увеличивающего его массу и габариты.
Указанный недостаток устранен в электроприводе, в котором сигнал углового положения ротора формируется специальной электронной схемой по другим доступным измерению координатам (индуктивности фаз, ЭДС вращения электродвигателя и т.д.) (см. Товарищество «МЭЛМА», Бесконтактные моментные электродвигатели ДБМ, Справочник, Москва, 1992 г., стр. 8).
Недостатком этого привода является сложность формирования сигнала углового положения ротора электродвигателя в реальных условиях эксплуатации из-за наличия электрических помех, нелинейностей и нестационарности звеньев электропривода.
Целью изобретения является устранение указанного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в БМП, содержащем датчик положения выходного звена электропривода, редуктор, синхронный m-фазный электродвигатель, фазные обмотки которого связаны с m-фазным выходом силового блока, датчик тока электродвигателя и сумматор, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика положения выходного звена электропривода, а на суммирующий вход сумматора поступает сигнал заданного положения выходного звена электропривода, дополнительно введены узел выделения модуля входного сигнала, сумматор, математическая модель электродвигателя и математическая модель ДПР, состоящая из управляемого m-фазного генератора частоты, частотного m-фазного модулятора и узла реверса, причем выход сумматора соединен с первым входом узла реверса, а через узел выделения модуля входного сигнала с первым входом m-фазного модулятора и суммирующим входом дополнительного сумматора, выход которого соединен со входом математической модели электродвигателя, выходной сигнал которой через управляемый m-фазный генератор частоты поступает на второй m-фазный вход модулятора, m-фазный выход которого соединен со вторым m-фазным входом узла реверса, выход которого поступает на вход m-фазного силового блока, а выходной сигнал датчика тока электродвигателя поступает на вычитающий вход дополнительного сумматора. Форма переменного сигнала на выходе управляемого генератора частоты может быть синусоидальной или прямоугольной (меандр), а количество фаз определяется типом электродвигателя.
На фиг. 1 показан пример функциональной схемы предлагаемого БМП на базе 2-фазного синхронного электродвигателя и управляемого генератора частоты прямоугольной формы; на фиг. 2, 3 - эпюры напряжений дополнительно введенных элементов функциональной схемы, поясняющие процесс формирования сигналов управления синхронным электродвигателем на примере отработки электроприводом ступенчатого входного сигнала без нагрузки и с нагрузкой соответственно на его выходном звене, где:
График А - изменение положения и скорости выходного звена БМП и тока электродвигателя;
График Б - изменение входного и выходного сигналов управляемого генератора частоты;
График В - изменение сигнала на первом входе (огибающая) и выходе модулятора.
БМП содержит датчик положения выходного звена электропривода 1, редуктор 2, 2-фазный синхронный электродвигатель 3, силовой блок 4, сумматор 5, узел выделения модуля входного сигнала 6, дополнительный сумматор 7, математическую модель электродвигателя 8, датчик тока электродвигателя 9 и математическую модель ДПР, состоящую из управляемого 2-фазного генератора частоты 10, частотного 2-фазного модулятора 11 и узла реверса 12.
БМП работает следующим образом (фиг. 1).
На суммирующий вход сумматора 5 поступает сигнал заданного положения выходного звена БМП ϕз, а на вычитающий вход сумматора 5 поступает сигнал обратной связи ϕос с датчика положения выходного звена электропривода 1. С выхода сумматора 5 сигнал ошибки, равный Δ=ϕз-ϕос,поступает на первый вход узла реверса 12 и на вход узла выделения модуля входного сигнала 6, с выхода которого модуль сигнала ошибки Δ поступает на первый вход модулятора 11 и через суммирующий вход дополнительного сумматора 7 на вход математической модели электродвигателя 8. Сигнал с выхода математической модели электродвигателя 8, являющийся заданной скоростью электродвигателя 3, поступает на вход управляемого генератора частоты 10. С выхода управляемого генератора частоты 10 2-фазный меандр постоянной амплитуды и частотой, пропорциональной выходному сигналу математической модели электродвигателя 8 (фиг. 2, 3 график Б), поступает на второй 2-фазный вход модулятора 11. 2-фазный выходной сигнал модулятора 11 через второй 2-фазный вход узла реверса 12 и силовой блок 4 поступает на фазные обмотки синхронного электродвигателя 3, обеспечивая через редуктор 2 перемещение выходного звена БМП со скоростью, заданной математической моделью электродвигателя 8. Поступающий на вычитающий вход дополнительного сумматора 7 выходной сигнал датчика тока 9 обеспечивает обратную связь по нагрузке на выходном звене БМП. В установившемся состоянии после окончания переходного процесса при отсутствии нагрузки на выходном звене электропривода входной сигнал управления отрабатывается без статической ошибки и ток электродвигателя равен нулю (фиг. 2, график А). При этом уменьшение скорости электродвигателя 3, при увеличении нагрузки на выходном звене БМП, приводит к увеличению тока электродвигателя 3, а значит и выходного сигнала датчика тока 9. Увеличение выходного сигнала датчика тока 9, поступающего на вычитающий вход дополнительного сумматора 7, уменьшает сигнал заданной скорости с выхода математической модели электродвигателя 8 и выходную частоту управляемого генератора 10. В установившемся состоянии после окончания переходного процесса при наличии нагрузки на выходном звене электропривода входной сигнал управления отрабатывается со статической ошибкой и ток электродвигателя не равен нулю (фиг. 3, график А). Таким образом, формируется на выходе модулятора 11 сигнал управления силовым блоком 4, представляющий собой переменное 2-фазное напряжение прямоугольной формы, частота которого пропорциональна сигналу заданной скорости с выхода математической модели электродвигателя 8, а амплитуда равна сигналу ошибки Δ=ϕз-ϕос, т.е. отклонению текущего положения выходного звена БМП от заданного положения (фиг. 2, 3 график В). Реверс синхронного электродвигателя 3 осуществляется путем смены двух фаз, поступающих на второй 2-фазный вход узла реверса 12 при изменении полярности сигнала Δ, поступающего на его первый вход. В случае использования 3-фазного синхронного электродвигателя 3 управляемый генератор частоты 10 должен формировать 3-фазное напряжение, поступающее на второй 3-фазный вход модулятора 11, а с его 3-фазного выхода третья фаза поступает на 3-фазный вход силового блока 4, минуя узел реверса 12. Штрихпунктирной линией показана третья фаза в случае использования 3-фазного синхронного электродвигателя.
Бесконтактный моментный привод, содержащий датчик положения выходного звена электропривода, редуктор, синхронный m-фазный электродвигатель, фазные обмотки которого связаны с m-фазным выходом силового блока, датчик тока электродвигателя и сумматор, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика положения выходного звена электропривода, а на суммирующий вход сумматора поступает сигнал заданного положения выходного звена электропривода, отличающийся тем, что с целью упрощения в него дополнительно введены узел выделения модуля входного сигнала, сумматор, математическая модель электродвигателя и математическая модель датчика положения ротора электродвигателя, состоящая из управляемого m-фазного генератора частоты, частотного m-фазного модулятора и узла реверса, причем выход сумматора соединен с первым входом узла реверса, а через узел выделения модуля входного сигнала с первым входом m-фазного модулятора и с суммирующим входом дополнительного сумматора, выход которого соединен со входом математической модели электродвигателя, выходной сигнал которой через управляемый m-фазный генератор частоты поступает на второй m-фазный вход модулятора, m-фазный выход которого соединен со вторым m-фазным входом узла реверса, выход которого поступает на вход m-фазного силового блока, а выходной сигнал датчика тока электродвигателя поступает на вычитающий вход дополнительного сумматора.
www.findpatent.ru
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
«1)995218
161) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 090981 (21) 3336216/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет.
Р )М К з
Н 02 К 29/02
Государствеииый комитет
СССР ио делам изобретеиий и открытий
Опубликовано 07.0283, Бюллетень №; 5 (Я3)УДК 621.313.13..014 ° 2: 621.382 (088.8) .Дата опубликования описания 07.0?.83 (72) Автор изобретения
A.Ã. Микеров (71) Заявитель (54) МОМЕНТНЫЙ BEHTHJlbHblA ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к электрическим двигателям с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов, и предназначено для использования, преимущественно в электрических машинах, работающих в качестве моментных двигателей приводов следящих систем и систем стабилизации объектов различного назначения.
Известен моментный вентильный электродвигатель (ВД), содержащий синхронную машину, датчик положения ротора (ДПР) и электронный коммутатор, в котором коммутация обмоток якоря осуществляется дискретно по сигналам
ДПР-с дросселями насыщения (1) .
Недостатком такого моментного дви гателя является пульсация вращаюцего момента от угла поворота ротора, вызванная дискретностью коммутации обмоток якоря.
Известен также бесконтактный моментный ВД, в котором с целью уменьшения пульсации вращающего момента с ротором синхронного двигателя связан специальный, однофазный электромеханический корректор (2).
Недостатками этого устройства являются сложность и большой вес, вызванные наличием дополнительной электрической машины — электромеханического корректора.
Наиболее близким к предлагаемому является бесконтактный моментный ВД с непрерывной коммутацией (3).
Известный моментный ВД содержит синхронную машину с постоянныки магнитами на роторе и обмотку. якоря, секции которой расположенные на статоре подключены к выходам усилителей мощности, входы которых соединены с выходом синусно-косинусного датчика положения ротора, выполненньж, напри- мер, в виде вращающегося синусно-косинусного трансформатора с фаэочувствительными выпрямителями на-(выходах. цепь питания связана с источйиком управляющего напряжения.
Недостатком известного моментного
ВД является непостоянство (пульсация) вращающего момента по углу поворота ротора. Как известно, в бесконтактном двигателе постоянного тока с непрерывной коммутацией (управлением) вращающееся магнитное поле статора теоретически является круговык, т.е. в таком двигателе отсутствуют пульса995218 ция вращающего момента за счет дискретной коммутацией обмоток якоря. 1ем не менее практически в таком двигателе пульсация вращающего момента по углу поворота имеет место вследствие следующих факторов: погрешности ДПР 5 (отклонения выходных напряжений от тригонометрических зависимостей), нелинейности и неидентичности характеристик усилителей мощности, неидеаль- ности расположения обмоток, формы ста- 1() тора и ротора синхронного двигателя, разброса параметров магнитов ротора„ неоднородности магнитной цепи ротора и т.ц. Пульсация вращающего момента
М по углу поворота 9 имеет периоди- 15 ческий характер, причем во многих случаях первая гармоника М пульсации момента имеет период ла, расположенные в поле ротора 2 перпейдикулярно друг относительно друга, синусно-косинусный потенциометр, индуктивный датчик.и т.д. В частности, моментный двигатель (фиг.2), в котором в качестве ДПР 7 использован синусно-косинусный вращакщийся трансформатор, ротор 16 которого механически соединен с ротором 2 синхронного двигателя 1, обмотка 17 возбуждения подключена к выходу усилителя
15, а вторичные синусная 18 и коси-. нусная 19 обмотки соединены с выходами 9 и 1.0 ДПР 7 через фазочувствительные выпрямители 20 и 21, Могут быть использованы и любые другие ДПР, обеспечивающие на своих выходах сигналы, изменякщиеся по законам синуса и косинуса угла поворота ротора двигателя с периодом g «360 0(град.) °
Р
При этом могут быть применены ДПР с выходом на постоянном и переменном токе. В первом случае (фиг. 2) в качестве сумматора 13 использован, например, операционный усилитель 22 по схеме суммирующего усилителя с инвертирукщим 23 и неинвертирукщим 24 входами, на выходе которого .установлен переменный резистор 25, в цепи обратной связи резистор 26, а в цепях входов резисторы 27.и 28. В данном слу.чае источник 8 управляющего напряже-. ния имеет выход по постоянному току, а элемент 14 сравнения выполнен, например.в виде модулятора с двумя входами. Переменные резисторы 11 и 12, включенные на входе 24 операционного усилителя 22 являются делителями напряжения Ц. и u„
При использовании выходоз ДПР 7 по переменному току (фиг. 3) сумматор
13 и элемент 14 сравнения могут быть выполнены,например,на резисторах 29-.
3„?.
Бесконтактный моментный двигатель (фиг. 1) работает следукщим образом.
При подаче сигнала U от источника 8 управлякщего напряжения на вход ,ППР 7 поступит напряжение (град)
Р
20 где Р— число пар полюсов синхронной машины.
Цель изобретения — уменьшение пуль»сации вращакщего момента двигателя путем компенсации гармоники пульсации, соответствукщей числу пар полюсов синхронного двигателя (гармоники с номером P) .
Поставленная цель достигается тем, что моментный ВД,,содержащий синхрон ную машину с обмоткой якоря, секцин которой подключены к выходам усилите лей мощности; входы. которых соединены с выходом синусно-косинусного дат чика положения ротора двигателя,, и источник управляющего напряжения, до полнитеяьно снабжен усилителем, эле ментом сравнения, сумматором и двумя делителями напряжения, входы которых подсоединены к выходам синусно-коси- 40 нусного датчика положения ротора, а выходы — к входам сумматора, причем выходы сумматора и источника управляющего напряжения подключены к входам элемента сравнения, выход которо- 45 го через усилитель соединен с цепью питания датчика положения ротора.
На фиг. l представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — вариант выполнения устрой.5О ства с суммированием сигналов-посто янного .тока; на фиг. 3 — вариант исполнения предлагаемого устройства с суммированием сигналов переменного тока.
Бесконтактный моментный ВД содержит синхронную машину 1 с постоянными магнитами на роторе 2 и секциями 3 и
4 обмотки якоря, расположенныки на статоре под углом 90 эл. град. друг 60 относительно друга и подключенньаки к выходам усилителей мощности 5 и 6;
ДПР 7 и источник 8 управлякщего напряжения. Синхронная машина 1 механически связана с синусно-косинусным датчиком положения ротора (ДПР)7.
Синусный выход 9 ДПР 7 подключен к входу усилителя мощности 5, а косинусный выход 10 — к входу усилителя 6 мощности. Двигатель дополнительно снабжен двумя делителями ll и 12 напряжения, сумматором 13, элементом
12 сравнения и усилителем 15, Синусный 9 и косинусный 10 выходы ДПР 7 через делители ll и 12 напряжения сое динены с входами сумматора 13, выход которого подключен к входу элемента
14 сравнения, Источник 8 управлякщеро напряжения подключен к другому входу элемента 14 сравнения, выход которого через усилитель 15 соединен с входом ДПР 7. В качестве ДПР 7 могут применяться, например два датчика Хол5
9952 l 8
e1=arctQ К =Ф,j(8}
) к
13Кэ (="о" ч() ч. (9} где
Как видно из таблицы применение предлагаемого устройства по сравнению с известным позволяет более чем вдвое снизить пульсацию вращающего момента.
Следовательно, при использовании,предлагаемого мбментного двигателя в сле дящей системе или системе, угловой стабилизации повышается точность этой системы, так как моментная ошибка за счет пульсации момента понизится более чем в 2 раза. Кроме того, в безредукторных системах угловой стабилизации повышается частота пульсации вращающего момента (после компенсации гармоники с номером Р остаются высшие гармоники), так как известно, что беэредукторные системы стабилизации лучше фильтруют высокочастотные возь, щения, чем низкочастотные.
US=K„U„=K„(UM-Ux)i (4) где Ку — коэффициент усиления усилителя 15.
При этом сигналы на выходах 9 и
10 ДПР 7 будут соответственно равны 5
О = () чк р (}
v Кэо cmp где Ke — коэффицйент передачи (трансформации) ДРП 7;.
P — число пар полюсов синхронного двигателя 1, равное числу пар полюсов ДПР 7.
Сигнал на выходе сумматора 13 равен
СОс+ К 0((сЬ1 PM KKCOSPM) ()
I где К и К вЂ” коэффициенты передачи о к делителей 11 и 12 напряжения соответственно (с учетом сумматора 20
13) .
Выражение (3) можно с учетом известных законов тригонометрии представить в виде Э)(ньяи (Ф+ф„), (4} 25 к -.4к..к „Ф„=
Тогда, с учетом (1) полУчим зь
4+K> К 2()
Вращающий момент двигателя, как известно, равен
"м.0в, где К - коэффициент передачи двига- З5
М теля по моменту.
При наличии пульсации вращакщего .момента это выражение примет вид hh-. оР+ " И +@)3()qi ((} 40 где К = ---- — коэффициент передачи
Мо
В двигателя по среднему вращакицему моменту;
К= - относительная пульса- 45 ция вращающего момента.
Выражение (6) получено с учетом только первой гармоники пульсации момента с периодом Р, которая, как 50 отмечалось выше, вносит наибольшую долю в общую пульсацию.
Подставляя выражение (5) в (6), получим вращакщий момент предлагаемого двйгателя . 55 о% И+сГЬ кр(Ч+ф)) ()„(7}. (+ ФэК Ыпрйф„) .
Если выбрать коэффициенты передачи делителей ll н 12 из условий то,как видно из (7), вращающий момент предлагаемого двигателя не будет зависеть от угла поворота
Выполнение условий (8),достигает" ся подбором делителей ll и 12 напряжения. При необходимости изменения знака (коэффициенты K y и К k могут быть отрицательными) делители 11 и 12 напряжений (фиг. 2) могут быть подключены к инвертирующему входу 23 операционного усилителя 22, либо же -могут быть соответствующим образом подобраны фазы несущей частоты сигналов О и () „(фиг . 3) ..
Внедрение изобретения уменьшает пульсацию вращающего момента эа счет компенсации гармоники пульсации момента за счет компенсации гармЬники пульсации момента с номером P.
В таблице приведены результаты экспериментальных исследований макета моментного двигателя, выполненного на двухфазном 16 полюсном моментном двигателе типа ДИВ-2,5-2 с постоянными магнитами на роторе и гладким статором (пусковой момент двигателя
2,5 Нм при напряжении "27 В). ДвигаГтель испытывают по схеме фиг.- 2 с ДПР на базе бесконтактного вращакщегося трансформатора типа 2,5 SBT. Измерения проводят при среднем вращающем моменте по валу двигателя 0,4 Нм при угле поворота 0 — 360
995218 » 1» » ч ° е
Предлагаемое ус тройс тв о
Параметр
Прототип
Относительная пульсация
Максимальное значение
12,6
5,2
Средне, квадратичное значение
7,2
3,2 Номер низшей гармоники пульсации
20
Формула изобретения
Моментный вентильный электродвига,тель, содержащий синхронную машину с обМоткой якоря, секции которой подключены к выходам усилителей мощности, 25 входы которых соединены с выходом синусно-косинусного датчика положения ротора двигателя, и источник управляницего напряжения, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью уменьше- Зп ния пульсации вращающего момента двигателя, он дополнительно снабжен усилителем, элементом сравнения, сумма-. тором и двумя делителями напряжения, входы которых подсоединены к выходам 35 датчика положения ротора, а выходы ко входам суаееатора, причем выходы сумматора и источника управляющего напряжения подключены к входам элемента сравнения, выход которого через усилитель соединен с цепью питания датчика положения ротора.
Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе
1. Овчинников И.Е. и Лебедев Н.И.
Бесконтактные двигатели постоянного тока, Л., Наука, 1979, с. 2592бО.
2.Авторское свидетельство СССР
9 754592, кл. Н 02 К 29/02, 1979.
3. Столов Л.И., Зыков Б.Н. Авиационные моментные двигатели. N. Машиностроение, 1979, с. 58-бО.
995218
Составитель A. Санталов
Техред М, Костик Коррек тор Л. Бокшан
Редактор Н. Ковалева
Тираж 685 Подпис ное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам издбретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Заказ 665/40
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
www.findpatent.ru
